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M. C. Hilario Suarez del real

Tec. De los materiales

UNIDAD 6 Superconductor

Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos. El fenómeno fue observado por primera vez en 1911 por el físico holandés H. KamerlinghOnnes, y sus explicaciones teóricas tardaron más de cuarenta años en establecerse. El hecho de que la teoría que explicaba este fenómeno se mostrara tan elusiva tiene su justificación en que ni la teoría clásica de materiales, construida por Dude y Lorente, ni la posterior teoría cuántica que Bloch y Grüneisen desarrollaron en la década de los treinta podían dar cuenta del fenómeno de la desaparición de resistencia eléctrica. Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas. Aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes. Superconductor: tren de levitación magnética El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de aplicaciones, entre ellas ordenadores más rápidos y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusión nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnéticos, trenes de levitación magnética de alta velocidad y, tal vez lo Página | 1

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más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía eléctrica. El Premio Nobel de Física de 1987 se concedió al físico alemán J. Georg Bednorz y al físico suizo K. Alex Mueller por su trabajo sobre los superconductores y la superconductividad a altas temperaturas. Antecedentes y generalidades. La superconductividad fue descubierta por KamerlinghOnnes y GillesHolst en 1911. Tres años antes KamerlinghOnnes había conseguido por primera vez la licuefacción del helio lo que le dio la posibilidad de alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.15 ºC = 0K). Debido a este logro recibió el Premio Nobel en 1913.

Walter Meissner En 1933 Meissner and Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban el campo magnético, más precisamente son perfectos diamagnetos. Estas dos propiedades, conductor perfecto y perfecto diagmagneto (o efecto Meissner), son independientes y caracterizan al estado superconductor como una nueva fase de la materia. Debido al efecto Meissner los superconductores son capaces de realizar sorprendentes muestras de levitación. La superconductividad se descubrió en un momento en el que no existían los conocimientos necesarios de física para poder entenderla. En 1950 Feynman declara que la superconductividad es el problema teórico más importante de la época. Lo habían intentado resolver (sin éxito) Einstein, Bohr, Heisenberg, Feynman… Durante estos años pre-BCS se desarrolló toda la maquinaria de la física cuántica y de las transiciones de fase. En 1935 los hermanos London describieron las dos propiedades básicas (resistencia cero y expulsión del campo magnético) en el marco de la electrodinámica. Lo consiguieron gracias a la enorme intuición de que el estado superconductor era una función de onda cuántica macroscópica

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con orden en el espacio de las velocidades (en física, espacio de momentos). En 1950 Ginzburg y Landau describieron la superconductividad utilizando la teoría general de Landau de las transiciones de fase. Landau recibió el Premio Nobel en 1962. Es una teoría fenomenológica que describe la fase superconductora a través de una pseudofunción de onda y que sigue siendo de gran utilidad hoy en día. Más tarde se demostró que la teoría de Ginzburg y Landau se podía deducir de la teoría BCS cerca de la temperatura crítica y que la pseudofunción de onda era equivalente al centro de masas del par de Cooper. En 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer resuelven el problema con su teoría BCS y en 1972 reciben el Premio Nobel. En esta teoría los electrones se aparean en pares de Cooper y forman un estado cúantico colectivo macroscópico. El mecanismo o pegamento que hace posible que los electrones se apareen proviene de las vibraciones de los átomos de la red. Una de sus predicciones más importantes fue la existencia del gap superconductor que explicaba numerosos experimentos y predecía otros.

Bardeen, Cooper y Schrieffer En el mismo año que se propuso BCS Abrikosov predijo la posibilidad de que en algunos superconductores existiera un estado mixto donde el material siguiera siendo superconductor pero se permitieran pasar algunas líneas del campo magnético (no fuera un perfecto diamagneto) a través de los vórtices. Estos superconductores se denominaron de tipo II. En presencia de una corriente los vórtices pueden crear una resistencia por lo que el superconductor ya no sería tampoco un conductor perfecto. Abrikosov y Ginzburg ganaron el Premio Nobel en el año 2003. En 1960 Giaever descubrió el efecto túnel en una unión metal-aislantesuperconductor con lo que pudo medir el gap superconductor. Este descubrimiento fue clave para el desarrollo del microscopio por efecto túnel (STM por sus siglas en inglés) que es capaz de producir imágenes de superficies a nivel atómico. En 1962 Josephson descubrió que los pares de Página | 3

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Cooper pueden pasar por efecto túnel entre dos superconductores incluso sin diferencia de potencial entre ellos dando lugar a la densidad de supercorriente. Las uniones Josephson se utilizan en los voltímetros y magnetómetros más sensibles del mundo (SQUIDS) que son la base para los magnetoencefalogramas que registran laactividad del cerebro (véase aplicaciones). Giaver y Josephson ganaron el Premio Nobel en 1973. Aunque la teoría BCS había sido un éxito absoluto que explicaba el estado superconductor y el mecanismo de la superconductividad era esencialmente una teoría descriptiva y no podía predecir ni la temperatura crítica ni el valor del gap ni la diferencia entre unos superconductores y otros. En los años 60 Eliashberg en la Unión Soviética y Mc Millan en EEUU mejoraron la teoría BCS desarrollando modelos sobre la interacción electrón-fonón que fueron capaces de describir diferencias entre compuestos aunque requerían cálculos numéricos elaborados. Seguía sin estar claro sin embargo dónde buscar superconductores con temperatura crítica más alta. Los años 60 y 70 fueron entonces años en los que químicos y físicos unieron sus esfuerzos para buscar materiales con temperaturas críticas mayores. BerndMatthias hizo un estudio sistemático primero de la tabla periódica y luego de aleaciones y compuestos y encontró un superconductor de tipo II Nb3Sn con una temperatura crítica de 18.5K y un campo magnético crítico Hc2 grande. Esto permitió hacer realidad una de las aplicaciones más importantes de los superconductores que primero envisionóKarmelinghOnnes: las primeras bovinas hechas con cable superconductor que daban lugar a los campos magnéticos más potentes de la Tierra (véase aplicaciones). En estos años se descubrió superconductividad en compuestos orgánicos y en los llamados fermiones pesados que aunque no tienen temperaturas críticas altas parece que el mecanismo de superconductividad no proviene de la interacción de los electrones con los fonones. En estos compuestos los electrones son fuertementente correlacionados y presentan fases magnéticas. Se postula que el magnetismo y la correlación entre los electrones están detrás del mecanismo de superconductividad. Página | 4

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El gran salto en temperatura crítica lo dieron Bednorz y Muller en 1986 cuando la mayoría de los físicos habían abandonado la idea de encontrar un superconductor de alta temperatura. Descubrieron el LaSrCuO con una temperatura crítica de 36K. Al año siguiente Paul Chu consiguió subir la temperatura crítica a 93K en YBaCuO por encima del punto de ebullición del nitrógeno. Posteriormente se han descubierto muchos compuestos con el elemento común de los planos de óxido de cobre que son superconductores de alta temperatura y se denominan “cupratos“. Actualmente la temperatura crítica más alta conseguida es 160K. Bednorz y Muller recibieron el Premio Nobel en 1987 convirtiéndose en el Nobel más rápido de la historia. Sin embargo los cupratos resultaron difíciles de entender. Aunque el estado superconductor es también un condensado de pares de Cooper presentan fases magnéticas y extrañas propiedades en el estado normal. Hasta el día de hoy no se conoce el mecanismo de la superconductividad. Quizás los cupratos también se hayan descubierto en un momento en la que la teoría no estaba preparada como en el caso de KamerlinghOnnes. La complejidad en entender estos compuestos radica en que tanto la interacción electrónelectrón como probablemente la interacción electrón-fonón son fuertes y no es posible con las técnicas actuales resolver exactamente un problema tan complejo.

Johannes Georg Bednorz y Karl Alexander Müller Recientemente, en el 2008, se ha descubierto otra familia de superconductores basados en planos hierro, con una temperatura crítica máxima conseguida de 56K. Tampoco se conoce el mecanismo de superconductividad de estos compuestos y no se sabe si este mecanismo es similar al de los cupratos. Dado que todavía carecemos de una teoría predictiva todos los años se descubren materiales interesantes con propiedades que no se entienden con la teoría convencional de los metales. Es por ello que la Página | 5

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superconductividad es un campo muy vivo con una intensa actividad científica. En la investigación que se realiza en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICMM-CSIC) se estudia este problema.

Materiales superconductores.

Aplicaciones de los superconductores. Electroimanes superconductores Algunas de las aplicaciones más importantes de los electroimanes superconductores, sin que la lista pretenda ser exhaustiva, es la siguiente: 1) Aplicaciones biológicas. Se sabe desde hace mucho tiempo que los campos magnéticos intensos afectan el crecimiento de plantas y animales. Así, se han utilizado electroimanes superconductores para generar campos magnéticos intensos y estudiar sus efectos en el crecimiento de plantas y animales y, además, analizar su efecto en el comportamiento de estos últimos. 2) Aplicaciones químicas. Es un hecho conocido que los campos magnéticos pueden cambiar las reacciones químicas y ser utilizados en la catálisis. 3) Aplicaciones médicas. Se han aplicado campos magnéticos para arreglar arterias, sacar tumores y para sanar aneurismas sin cirugía. También se estudia la influencia de los campos magnéticos en las funciones vitales del cuerpo humano. En este caso, se requieren fabricar hilos de material superconductor que posteriormente formen las bobinas del solenoide. Generalmente estos Página | 6

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hilos consisten en Nb-Ti ó Nb-Sn en una matriz de Cu que son extruidos para formar hilos de una sección de 0,5 mm de diámetro. Dado que estos materiales soportan corrientes mucho mayores que los conductores normales, 10 MA.cm-2 en el Nb-Sn, los sistemas superconductores son capaces de generar campos magnéticos de hasta 15 T. Un uso comercial muy importante de los magnetos superconductivos actualmente son los analizadores de resonancia magnética. Estos dispositivos se usan en el campo de la medicina como una herramienta de diagnóstico. Esencialmente, el campo magnético intenso que genera el superconductor estimula que el núcleo de los átomos emita radiación. Esta radiación se usa para producir la imagen de una sección transversal del cuerpo de un paciente o de sus órganos internos. De hecho, no solo se obtiene la forma y la densidad de un órgano sino que esta técnica es capaz de analizar químicamente el tejido que está revisando. La ventaja obvia de este procedimiento es la detección temprana y los diagnósticos precisos de las enfermedades o anormalidades en el tejido humano.* 4) Levitación. Una de las principales aplicaciones basados en ésta propiedad es en el transporte en trenes de alta velocidad. Este sistema puede lograrse con materiales convencionales, sistema de atracción, o materiales superconductores, sistema por repulsión. Los sistemas de levitación magnética basados en imanes permanentes son inestables. En cambio cuando se utilizan superconductores el comportamiento debido a la levitación varía radicalmente, convirtiéndose en un sistema totalmente estable. Las características de cada uno se presentan en el siguiente cuadro: Electroimanes convencionales Electroimanes superconductores El campo magnético necesario puede ser generado por electroimanes convencionales hechos de metales normales, a causa de la presencia de material ferromagnético Página | 7

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Los electroimanes superconductores hacen posible generar un campo magnético intenso en un volumen grande El uso de electroimanes de metal normal requiere una pequeña brecha de alrededor de 1 cm entre el material ferromagnético y los electroimanes. Aun con un diseño óptimo, utilizando metal normal, el costo es mucho menor cuando se utilizan electroimanes superconductores La brecha entre los electroimanes y el material conductor puede ser, al menos, de una magnitud mayor que para el caso de elctroimanesconvenvionales.Esto es fundamental para el diseño de operación de vehículos de alta velocidad. La fuerza magnética aumenta cuando la brecha se hace más pequeña y disminuye cuando aumenta, lo cual significa que el sistema es inherentemente inestable, y para lograr su estabilización es necesario que tenga un mecanismo de retroalimentación que le permita regular la corriente y, por tanto, la fuerza atractiva. Al tener una mayor brecha es sistema es estables con lo que respecta a su posición vertical. Tipos de bobinas superconductoras para el transporte levitado. 5) Generación de energía. Utilización de imanes superconductores para lograr "botellas magnéticas" que sirvan para la generación de energía nuclear por fusión que no presenta problemas de desechos radiactivos, como sucede con los actuales generadores de energía nuclear por fusión. 6) Separación magnética. Ésta se aplica comercialmente para separar materiales paramagnéticos y materiales ferromagnéticos: en la industria del caolín, para separar sustancias magnéticas de la arcilla; para la limpieza magnética selectiva del carbón, o sea, separar sustancias minerales de sustancias orgánicas. 7) Limpieza de aguas contaminadas. Por medio de campos magnéticos se pueden separar las impurezas que al estar disueltas en agua quedan Página | 8

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ionizadas y al fluir a través de un campo magnético pueden ser desviadas por éste y ser apartadas del agua. 8) Blindaje y modelaje de campos magnéticos. Puede lograrse por medio de planos superconductores que ya han sido utilizados para este fin en sistemas de producción de energía. * 9) Aceleradores de mucha energía. Se han podido desarrollar electroimanes dipolares y cuadrupolares oscilantes de materiales superconductores, capaces de generar los campos magnéticos más intensos de la historia para su utilización en aceleradores de partículas de energía muy grandes. ya que si desarrollaba un sistema de imanes superconductores terminaría, a la larga, por construir un acelerador más potente que el del CERN. En 1973 se inició el programa de imanes superconductores para un nuevo acelerador. Tales imanes, además de alimentar un acelerador más potente, podían reducir el consumo de electricidad (y su costo consiguiente). En 1980 el Fermilab construyó un gran laboratorio para comprobar las propiedades mecánicas, criogénicas y magnéticas de cada imán. Las características de cada uno se introdujeron en un programa de ordenador que serviría, más tarde, para decidir en qué lugar del anillo debía colocarse un imán u otro para cancelar los errores residuales del campo. En Junio de 1982 comenzó el montaje del Tevatrón, y en Junio del '83 se inyectó el primer paquete de protones del anillo principal. El tevatrón entró en su fase final en Junio de 1989; siguiéndole la construcción de un acelerador lineal más potente y un nuevo anillo principal para inyectar las partículas en el Tevatrón (programa conocido como Fermilab III). El desarrollo de estas máquinas tienen como objetivo profundizar en el interior de los quarks y del electrón, sometiendo a examen al "modelo estándar". Sistemas inductivos de almacenamiento de energía Un ejemplo de aplicación a gran escala de los electroimanes superconductores es el almacenamiento de energía, sistema que podría servir para una gran variedad de propósitos importantes. Para valores Página | 9

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adecuados del campo magnético se pueden almacenar densidades de energía muy altas comparadas con otros sistemas de almacenamiento de energía. En esencia, en una bobina hecha de un material superconductor se deja circulando una corriente. Como no hay disipación de energía al no existir resistencia eléctrica, la corriente permanecerá circulando por mucho tiempo. Al momento de necesitarse la energía almacenada en la bobina, se toma. Dependiendo del tiempo en el que puede realizarse la descarga de energía eléctrica, los electroimanes pueden utilizarse en reactores de fusión o en sistemas de distribución comercial de energía eléctrica. Las descargas de energía del orden de milisegundos pueden utilizarse para iniciar una reacción de fusión nuclear de deuterio-tritio o de deuteriohelio3. Aunque ya es posible construir con los superconductores convencionales (con los nuevos superconductores cerámicos todavía no) electroimanes superconductores capaces de almacenar 10 000 millones de Joules (esto es del orden de 2 800 kilowatts-hora), el interruptor que permite la rápida descarga de energía aun presenta muchos problemas en su funcionamiento. Realizar descargas de 2.8 kilowatts-hora en 0.1 seg es posible con interruptores superconductores. De cualquier modo, el principal atractivo de la aplicación de estos sistemas sería su utilización en las redes comerciales de distribución de energía eléctrica, sobre todo para el consumo en las llamadas "horas pico". La lista puede extenderse para incluir muchos otros usos, pero la confiabilidad, la facilidad en la operación de los electroimanes y las consideraciones económicas constituirán los factores más importantes en el diseño de sistemas electromagnéticos que utilicen superconductores. Para la mayoría de las aplicaciones técnicas, la operación de los electroimanes debe ser totalmente automática y esto requiere sistemas complicados de control y retroalimentación, así como sistemas de refrigeración de circuito cerrado interconectados con el sistema de alimentación de energía.*

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Leer más: http://www.monografias.com/trabajos82/materialessuperconductores/materialessuperconductores3.shtml#aplicacioa#ixzz4Q73RdX3Q

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