Materiales Superconductores

INTRODUCCIÓN

El descubrimiento de la superconductividad es uno de los más sorprendentes de la historia de la ciencia moderna. Está íntimamente ligado con el interés de los físicos del siglo XIX en licuar todos los gases conocidos en aquel tiempo. Era ya bien sabido que la inmensa mayoría de los gases sólo podrían licuarse a temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados. La licuefacción de los gases permitiría estudiar los fenómenos que se presentan en los materiales a temperaturas muy bajas.

En 1908, cuando Heike Kamerlingh Onnes pudo, por primera vez en el mundo, obtener helio líquido que tiene una temperatura de ebullición de 4.22K. Este logro se realizó en la universidad de Leyden, Holanda y abrió el paso a Onnes para su descubrimiento de la superconductividad, y por tal los materiales superconductores. Con el helio líquido Kamerlingh Onnes pudo ya disponer de un baño térmico a muy bajas temperaturas y se dispuso a investigar las propiedades de la materia a esas temperaturas. Seleccionó, como uno de los temas de sus investigaciones a bajas temperaturas, el comportamiento de la resistividad eléctrica de los metales. Esto se debió a que la medición de esta propiedad se puede realizar con relativa facilidad a cualquier temperatura y, también, a que el tema de la resistividad eléctrica de los metales era, ya en aquel tiempo, de considerable importancia.

Las teorías existentes en esos tiempos sobre la resistividad eléctrica de los metales se encontraban en un estado bastante rudimentario.

Kamerlingh Onnes se dispuso a averiguar, por medio de la experimentación, cuál era la verdadera variación de la resistividad con la temperatura. Para comenzar, decidió examinar la primera hipótesis. Para esto seleccionó el mercurio para estudiarlo, porque era el metal más puro que podía obtenerse en esa época. Cuando observó que la resistividad eléctrica del mercurio a una temperatura inferior a 4.22K era menor, por un factor de 10-11, que su valor correspondiente a una temperatura un poco arriba de 4.22 K, pensó que había verificado la validez de la hipótesis (la resistividad disminuía de manera continua). Investigaciones posteriores le mostraron a Onnes que la resistividad no disminuía de manera continua, sino que desaparecía muy abruptamente a una temperatura de 4.15K. Por otro lado, también observó que este comportamiento no se alteraba al introducir impurezas en la muestra de mercurio. Bien pronto se dio cuenta de la existencia de un nuevo estado del mercurio, en el cual no había resistividad eléctrica. A este nuevo estado lo llamó estado superconductor. Así nació el estudio de los superconductores.

Los superconductores son descritos por aquellos Materiales que poseen alta resistividad eléctrica y que a bajas temperaturas (menores a Temperatura crítica, Tc) alcanza un valor mínimo, mostrando el fenómeno de superconductividad. Además de la temperatura, el estado de superconductividad depende también de muchas otras variables, de las cuales las más importantes son el campo magnético (B) y la densidad de corriente (J). De este modo, para que un material sea superconductor, la temperatura crítica del superconductor, la temperatura, campo magnético y su densidad de corriente crítica no deben ser superadas, y para cada material superconductor existe una superficie crítica en el espacio T, B, J.

Entre las aplicaciones de los superconductores se incluye sistemas de imágenes magnético-nucleares para el diagnóstico médico y la levitación magnética de vehículos como trenes de altas velocidad. Los imanes superconductores de alto campo se usan en aceleradores de partículas en los campos de física de alta energía, entre otras aplicaciones.

Desde el punto de vista ingenieril, los nuevos superconductores de altas temperaturas críticas se muestran muy prometedores en la consecución de avances técnicos.

Por tal motivo, el objetivo de este trabajo se enfocara en definiciones, clasificación y procesado de los Superconductores. De la misma manera, se orientara en la evaluación de cada propiedad para reconocer las aplicaciones en la ingeniería.

1.- CONCEPTOS BÁSICOS DE LOS SUPERCONDUCTORES

1.1.- Concepto Básicos

Superconductores: Un material superconductor es aquel que, en una temperatura determinada, presenta una resistencia eléctrica igual a cero. En el estado superconductor el material se comporta como un diamagneto perfecto, es decir, se opone a que un campo magnético penetre en él (efecto Meissner).

El efecto de Meissner: Es cuando el interior del superconductor está apantallado en forma ideal contra los campos magnéticos exteriores por medio de las corrientes que circulan en la fina capa superficial del superconductor.

El efecto de Josephson: es el efecto de túnel en los superconductores, misteriosa circulación de corriente superconductora, es decir, no amortiguada, a través de la capa no superconductora que separa dos superconductores.

1.2.- Teoría de superconductividad: materiales metálicos y cerámicos

Al reducir paulatinamente la temperatura de un material cerca del cero absoluto, las vibraciones entre los átomos disminuyen gradualmente hasta ser un valor nulo. A partir de esta afirmación, se puede concretar la teoría de los materiales superconductores. Esta establece que cuando ciertos cristales son llevados a temperaturas que tienden al cero absoluto, la resistividad eléctrica de aquel material se vuelve nula, de esta manera la corriente puede fluir libremente por el material (sin colisiones y en zigzag). Aun cuando no es factible reducir la temperatura hasta el cero absoluto, ciertos materiales (por lo general semiconductores e incluso materiales impuros) presentan tal comportamiento a valores por encima de dicho valor. En la siguiente figura podemos observar cual sería el comportamiento de la resistencia de un material en función de la temperatura.

Figura 1. Comportamientos posibles del valor de la resistividad eléctrica de un metal al disminuir su temperatura, de acuerdo con las ideas prevalecientes alrededor de 1908.

En el caso de la curva A, ocurriría si la resistencia eléctrica se debe completamente a la dispersión que los electrones sufrirían por las vibraciones de la red atómica. La curva B pudiera ocurrir si las dispersiones de los electrones por las impurezas que estuvieran presentes fuesen de magnitud mayor a lo común. La curva C se produciría si los electrones de la banda de conducción, disminuyeran rápidamente al disminuir la temperatura.

Según el joven científico norteamericano Cooper, en el estado de superconductividad, los electrones forman pares. La formación de esos pares se hace posible en el caso

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