Materiales superconductores

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  • 1. Materiales superconductoresLos materiales superconductores son aquellos que poseen superconductividad, que es lacapacidad de conducir corriente eléctrica sin resistencia y pérdida de energía endeterminadas condiciones.La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medidaque la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como elcobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cercade cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia deun superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material seenfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en unaespiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente dealimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, lasuperconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.Comportamiento magnéticoAunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia deresistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material deconductividad infinita, ya que este tipo de material por sí sólo no tiene sentidotermodinámico. En realidad un material superconductor de tipo I es perfectamentediamagnético. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce comoefecto Meissner.El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que nopermiten en absoluto que penetre un campo magnético externo (lo cual conlleva unesfuerzo energético alto, e implica la ruptura brusca del estado superconductor si sesupera la temperatura crítica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, enel sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizacionesdenominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductoresson de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau yAleksey Alekséyevich Abrikósov.Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo magnético externo débillo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiereintroducir vórtices para disminuir su energía. Éstos van aumentando en númerocolocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicasadecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan altoque el material deja de ser superconductor. Éste es el campo crítico que hace que unmaterial deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.Comportamiento eléctricoLa aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crearsupercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de maneraque se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía
  • 2. por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario parasustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía singasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales.Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad decorriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corrientecrítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disiparenergía.En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca que, incluso paracorrientes inferiores a la crítica, se detecte una cierta disipación de energía debida alchoque de los vórtices con los átomos de la red.Obtención de materiales superconductoresDebido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad,los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido (el nitrógeno líquido sóloes útil cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje necesarioes complejo y costoso, utilizándose en muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, laconstrucción de electroimanes muy potentes para resonancia magnética nuclear.Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura,que muestran la transición de fase a temperaturas superiores a la transición líquido-vapor del nitrógeno líquido. Esto ha abaratado mucho los costos en el estudio de estosmateriales y abierto la puerta a la existencia de materiales superconductores atemperatura ambiente, lo que supondría una revolución en la industria del siglo XXI. Lamayor desventaja de estos materiales es su composición cerámica, lo que lo hace pocoapropiado para fabricar cables mediante deformación plástica, el uso más obvio de estetipo de materiales. Sin embargo se han desarrollado técnicas nuevas para la fabricaciónde cintas como IBAD (deposición asistida mediante haz de iones). Mediante estatécnica se han logrado cables de longitudes mayores de 1 kilómetro.Un superconductor no es simplemente un conductor normal perfectoAl contrario de lo que se podría pensar en principio, un superconductor se comporta deun modo muy distinto a los conductores normales: no se trata de un conductor cuyaresistencia es cercana a cero, sino que la resistencia es exactamente igual a cero. Estono se puede explicar mediante los modelos empleados para los conductores habituales,como por ejemplo el modelo de Drude.AplicacionesLos imanes superconductores son algunos de los electroimanes más poderososconocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en máquinas para la resonancia magnéticanuclear en hospitales y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partículas.También pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas
  • 3. magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no magnéticas, comoen las industrias de pigmentos.Los superconductores se han utilizado también para hacer circuitos digitales y filtros deradiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil.Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que son los bloques deconstrucción de los SQUIDs (dispositivos superconductores de interferencia cuántica),los magnetómetros conocidos más sensibles. Una serie de dispositivos Josephson se hanutilizado para definir el voltio en el sistema internacional (SI). En función de lamodalidad de funcionamiento, una unión Josephson se puede utilizar como detector defotones o como mezclador. El gran cambio en la resistencia a la transición del estadonormal al estado superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores defotones criogénicos.Están apareciendo nuevos mercados donde la relativa eficiencia, el tamaño y el peso delos dispositivos basados en los superconductores de alta temperatura son superiores alos gastos adicionales que ellos suponen.Aplicaciones futuras prometedoras incluyen transformadores de alto rendimiento,dispositivos de almacenamiento de energía, la transmisión de energía eléctrica, motoreseléctricos (por ejemplo, para la propulsión de vehículos, como en vactrains o trenesmaglev) y dispositivos de levitación magnética. Sin embargo la superconductividad essensible a los campos magnéticos en movimiento de modo que las aplicaciones queusan corriente alterna (por ejemplo, los transformadores) serán más difícil de elaborarque las que dependen de corriente continua.