Ensayo t. electromagnetica superconductores

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Los superconduc. Es un hecho experimental que un superconductor masivo, en un campo magnético débil, se comportara como un diamagnético perfecto, con inducción magnética cero en su interior. A la combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de superconductor. En el presente trabajo también se presentara sus aplicaciones y resultados de experimentos actuales de los superconductores

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Ensayo t. electromagnetica superconductores

  1. 1. 1 Los Superconductores Mateo Santiago Rengel Rivera Abstract—The magnetic properties of superconductors are as Un campo magnético suficiente intenso destruirá la super-striking as its electrical properties. The magnetic properties conductividad. El umbral o valor crítico del campo magnéticocan not be based on the assumption that the superconducting aplicado para que tenga lugar la destrucción de la supercon-state is characterized by truly zero electrical resistivity. It isan experimental fact that a massive superconductor in a weak ductividad se designa por Hc (T). Estos valores varían de unmagnetic field, behave as a perfect diamagnetic with zero mag- superconductor a otronetic induction inside. The combination of electric and magnetic El modelo BCS establece la relación Hc(T) siguiente:effects is called a superconductor. This work also submit theirapplications and experimental results of the superconducting Hc(T )/Ho(T ) = 1 − (T /T c)²current. Index Terms—Efecto, superconductores, magnetismo. Hc(T c) = 0 Se ha comprobado que existen muchos superconductores I. I NTRODUCCION que cumplen con esta condición. Los superconductores son materiales que a bajas tem-peraturas tienen resistencia nula. Además de ser poderososdiamagnéticos, se podría decir que cuando se agrupan los B. Efecto Meissnerelectrones por pares no ofrecen resistencia (Teoría de John Un material superconductor no solamente presenta resisten-Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer-BCS), esto se daría cia al paso de la corriente, sino que también tiene otrapor la interacción atractiva del tipo electrón-ion-electrón, pero propiedad importante que es su capacidad para apantallar unesta teoría solo la explica la superconductividad a temperaturas campo magnético.cercanas al cero absoluto. Ahora el efecto Meissner consiste en la desaparición total En 1962 se predice que la corriente puede fluir entre dos su- del campo magnético del material cuando alcanza su tem-perconductores separados por un aislante, conocido este efecto peratura crítica, además el superconductor se convierte en unpor Josephson que luego fue confirmado experimentalmente. perfecto diamagnético. En 1986 aparece el primer superconductor cerámico que Al evitar la formación de campo magnético en su interior,deja de ofrecer resistencia con 30K (-243°C) , lo que per- los campos magnéticos próximos se curvan pudiendo producirmite enfriarlos con mucha facilidad y de forma mas barata, curiosos efectos como la levitación de un imán colocado sobreiniciando la era de los superconductores de alta temperatura. un superconductora baja temperatura. En 1987 la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido Si el campo magnético que se le aplica es mayor que su Hc(77°K) fue el primer superconductor verdadero de alta tem- perderá su superconductividad y con ella su diamagnetismo.peratura. No obstante aun persiste el ideal de encontrar estefenómeno a temperaturas ambiente (300°K o 27°C) lo quepermitirá usar el agua como refrigerante. El problema de estos elementos superconductores que seposeen en la actualidad es que funcionan a muy bajas tem-peraturas por lo que es muy costoso que las perdidas que seproducen. II. D ESARROLLO T EORICOA. Campo Critico Unas de las maneras en las cuales un superconductor puede Figure 1.ser forzado a su estado normal es al aplicarle un campomagnético. Que es requerido para causar transición y se leconoce como campo criticó (Hc), si la misma es de una formacilíndrica o elipsoidal larga y delgada y el campo esta en forma C. Efecto Josephsonparalela a lo largo del eje de la muestra. Gracias a este efecto, Josephson obtuvo su premio nobel, El campo critico se incrementa al bajar las temperaturas que consiste en el paso de pares de electrones desde un super-hasta un valor de cero absoluto (Ho) para los elementos conductor a otro, atravesando un material aislador. Cuando sesuperconductores los valores de Ho están en un rango desde aplica un voltaje constante (como el de una batería) a través de1.2 oersted (oersted es la unidad de intensidad de un campo los superconductores se producen corrientes dentro del aislantemagnético) del Tungsteno hasta 830 oersted del Tantalio. que se alternan con rapidez.
  2. 2. 2 Los superconductores del tipo I siempre intentan expulsar el campo magnético de su interior, los de tipo II se oponen a q este cambie.Figure 2. Gráficos que muestran como se deforma un campo magnéticouniforme cuando H < Hc (izq.) y como penetra en el material cuando H >Hc (der.). Un flujo constante de corriente a través del aislante se puedeinducir mediante un campo magnético fijo. Este efecto seaplica en dispositivos que detectan y generan fuertes radia-ciones electromagnéticas y en la detección de campos mag-néticos extremadamente débiles. Se ha demostrado reciente-mente que este efecto puede producirse incluso a temperaturas Figure 3.mayores que la temperatura crítica. Gracias a este efecto pueden crearse uniones de Josephson,que son conmutadores superconductores. Su funcionamiento III. A PLICACIONESes similar al de un transistor, pero la unión Josephson es capaz Un ejemplo famoso de aplicación de superconductores esde conmutar a una velocidad 100 veces superior. Conectando el tren “The Yamanash MLX01 MagLev train” que levitados uniones Josephson de una forma especial, pueden detec- sobre los raíles eliminando el rozamiento y consiguiendotarse campos magnéticos extremadamente débiles. velocidades de aproximadamente 550km/h. Estos detectores tan sensibles de campos magnéticos recibenel nombre de SQUID’s (Super-conducting Quantum Interfer-ence Devices Dispositivos superconductores de interferenciacuántica), con el cual se están desarrollando estudios geológi-cos, o incluso encefalogramas sin necesidad de tocar la cabezadel enfermo.D. Tipos de Superconductores Figure 4. Mediante el efecto de Meissner, dentro del conductor ten-emos. Otra aplicación de los superconductores se encuentra en B = Ba + uoM = 0 la magnetoencefalografıa, sirviendo para detectar los campos magnéticos producidos por la actividad neuronal. Los superconductores permiten conducir la corriente eléc- M/Ba = −1/uo trica sin perdidas, por lo que pueden transportar densidades de Ahora, tenemos dos tipos de conductores: El hecho de corriente por encima de 2000 veces lo que transporta un cableque el superconductor pueda apantallar totalmente el campo de cobre. Si contáramos con generadores, líneas de transmisiónmagnético de su interior se conoce como: y transformadores basados en superconductores, obtendríamos Superconductores de tipo I: son especímenes puros y gen- un gran aumento de la eficiencia, son el consecuente beneficioeralmente tienen un bajo valor de Hc, por lo que no tienen medioambiental que se supondría el ahorro de combustible,aplicaciones técnicas útiles. así como si idoneidad para sr utilizado junto con energías Los superconductores de tipo II: permiten que el campo alternativas.magnético pueda penetrar en su interior sin dejar de ser En medicina la superconductividad es útil para la construc-superconductores, entonces: son generalmente aleaciones o ción de equipos de generación de imágenes. Las maquinasmetales de transición. Aquí podemos ver que existen valores NMR (Resonancia Magnética Nuclear) y MRI (ImágenesHc1 y Hc2 entre los cuales se dice que hay un “Efecto por Resonancia Magnética) son capaces de generar imágenesMeissner Incompleto” y se dice que esta en “estado Vórtice”. detalladas del interior de organismos. Una maquina MRI puedeAplicando un campo menor a Hc1 el efecto Meissner es generar, por ejemplo, una imagen del corazón de un pacientecompleto y sobre el campo Hc2 esta en estado normal. sin tener que hacer disecciones en la piel o introducir sondas en
  3. 3. 3la sangre. La misma técnica puede aplicarse igualmente a otros de tipo hexagonal. La estructura electrónica de grafeno eraórganos. Las maquinas MRI funcionan colocando al paciente conocida por los físicos teóricos desde hace aproximadamenteen un potente campo magnético generado por un electroimán 60 años. El principal motivo del interés despertado por estesuperconductor. material es la naturaleza excepcional de sus portadores. En Unos investigadores de IBM han ideado un vaporizador de Física de la Materia Condensada, la ecuación de Schrödingersuperconductores con el cual pueden cubrir (pintar) superficies describe las propiedades electrónicas de cualquier material. Elcomplejas y de gran tamaño. Esta técnica aumenta la perspec- grafeno no es una excepción pero las interacciones con lostiva de hacer útil, fácil y económicamente, confinamiento mag- núcleos de los átomos de carbono hacen que los electrones ennético, cableado de computadores y otras aplicaciones. Medi- el grafeno imiten en su comportamiento a partículas relativistasante una técnica industrial llamada vaporización de plasma, sin masa gobernadas por la ecuación de Dirac. . . . .[8]el superconductor puede ser rápidamente calentado a miles de Si a la falta de defectos estructurales y consiguiente es-grados Celsius y depositado en una superficie cualquiera, en tabilidad mecánica le añadimos las mencionadas propiedadesla que posteriormente se resolidifica. Después de la formación electrónicas “relativistas”, el resultado es un material en elde la capa la superficie es recocida, obteniéndose un recubrim- que sus portadores muestran una movilidad extraordinaria siiento que se hace superconductor al refrigerarse. se compara con la de semiconductores como el silicio. Se Por su parte la generación, almacenamiento y transmisión cree que la movilidad está fundamentalmente limitada porde energía eléctrica también se beneficiaria del desarrollo impurezas derivadas del contacto con el sustrato, aunque, ade estos superconductores, ya que se podría generar energía día de hoy, la naturaleza de éstas no haya sido identificadalimpia, barata y abundante a partir de las fusiones nucleares con certeza. . . . .[8]de diversos isotopos de hidrogeno producidas gracias a cam-pos magnéticos muy intensos, lo cual permitiría multiplicarla potencia eléctrica producida actualmente por generadores C. Superconductores todopoderosos, un nuevo invento de losconvencionales. científicos Rusos (2 julio 2011) Los especialistas del centro de investigaciones Supercon- IV. E XPERIMENTACION Y R ESULTADOS ACTUALES ductor Ruso son los encargados de la realización de estos En la actualidad, se sigue dando experimentación y des- proyectos. Así han elaborado un acumulador de energía decubriendo muchas cosas acerca de los superconductores, como nueva generación. El invento está destinado a funcionar ense presenta a continuación, parte de algunas de las últimas condiciones extremas, como por ejemplo, los momentos quepublicaciones y descubrimientos que se han dado en el mundo. suceden a un corte de energía en una central atómica o en un gran aeropuerto. . . . .[9]A. Científicos alcoholizados derraman vino sobre supercon- Lo que distingue a este superconductor respecto a sus anál-ductor y logran importante descubrimiento (enero 2011) ogos es su capacidad de ponerse en marcha inmediatamente, sin perder ni un segundo. Alexánder Katsá, el director general Tras ingerir vino y sake, científicos japoneses derramaron de Superconductor Ruso, señala que además “este proyectosus bebidas sobre un superconductor y obtuvieron resultados obtiene un destacado rendimiento económico. Por otra parte,increíbles . . . . . . .[8] se adapta bien a todos los sistemas de energía que ya existen”. El vino puede ser mal consejero, pero también puede ser . . . . . . .[9]un increíble catalizador para percibir lo que de otra manerase mantiene invisible ante nuestros ojos. Tal es el caso de ungrupo de científicos del Instituto de Ciencia Material en Japón V. C ONCLUSIONESque trabajan en el desarrollo de un superconductor especial al Luego de haber estudiado el presente trabajo se puede llegarcolocar un compuesto en agua caliente y enjuagarlo por horas. a concluir que gracias a estos materiales superconductores. . . .[8] se ha logrado el interés tecnológico para desarrollar un gran Aparentemente el proceso iba bien ya que los hombres número de aplicaciones.de ciencia decidieron celebrar con una buena cantidad de Este tipo de materiales presentan determinado tipo desake, vino, whisky, y cerveza, dentro del laboratorio. Y ya problemas en la implementación. El primero de ellos fue laun tanto entonados con la frecuencia etílica decidieron probar necesidad de utilizar un refrigerante demasiado costoso comoel proceso utilizando sus diversos alcoholes en lugar del el Helio para disminuir la temperatura del material por debajolíquido tradicional y cuando probaron la conductividad de de la temperatura mínima; luego fueron las limitaciones delos materiales que estaban desarrollando notaron que aquellos campo magnético para que este no superase el crítico. Noque habían sido enjuagados con licor comercial mantenían obstante, los nuevos materiales descubiertos principalmentemayores niveles de conductividad lo cual implicaba que habían desde finales del siglo pasado a la fecha, han ido solucionandollegado a un mejor resultado del esperado . . . [8] los inconvenientes mencionados. Por otro lado, la implementación en circuitos electrónicosB. La superconductividad del grafeno es casi universal de alta precisión, genera un constante avance en el desarrollo(febrero 2011) e investigación, descubriendo así, nuevos usos y propiedades. El término grafeno se refiere a una única lámina de áto- Hoy en día, su principal limitación son los altos costos demos de carbono organizados en una estructura cristalográfica implementación y manutención. En la medida que se supere
  4. 4. 4este obstáculo, el potencial de esta nueva tecnología podríarevolucionar completamente el mercado tecnológico. Se puede decir que esta tecnología, está hoy en día lograndograndes avances, y cada vez se encontrara muchas mas apli-caciones. No podemos descartar que en un futuro se puedan descubrirmateriales superconductores a temperatura ambiente. VI. N OTAS 1) El descubrimiento de la superconductividad es uno de los más sorprendentes de la historia de la ciencia mod- erna. Lo cual nos lleva a los superconductores. 2) No hay pérdida de energía al transportar corriente eléc- trica debido al efecto de Joule. 3) La levitación magnética es una de las aplicaciones más conocida y fascinante de los materiales superconduc- tores. 4) La levitación magnética también podría permitir el al- macenamiento de energía generada cuando la demanda fuera baja y que estaría disponible cuando se produjesen picos de demanda. 5) Sabemos que ambos tipos de superconductores tienen propiedades térmicas análogas en la transmisión super- conductor normal, en ausencia de campo magnético. Pero el efecto Meissner es completamente diferente en los dos tipos. VII. B IBLIOGRAFIA[1]Magaña Solís, Luis Fernando: Los Superconductores.Colección “La Ciencia desde México” N° 64. Fondo deCultura Económica. México DF. 1988, 125 pp.[2]Introducción física del estado, sólido Charles Kittel[3]http://www.alumnos.unican.es/ccc66/physic/superconductores.pdf[4]www.ejournal.unam.mx/cns/no88/CNS000008806.pdf[5]www.inele.ufro.cl/.../superconductividad/superconductividad.htm[6]http://universitam.com/academicos/?p=8385[7]http://informacion-alternativa.over-blog.es/article-superconductores-todopoderosos-un-nuevo-invento-de-los-cientificos-rusos-78358922.html

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