Superconductores

Superconductores

Superconductors

Botero Buitrago, Leidy Dayana

Medina Alvear, José Eddison

3er. Semestre de Química Pura

Química Inorgánica I

Facultad de ciencias básicas, Universidad de la amazonia

Resumen

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Palabras Clave

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Abstract

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Keywords

Medicinal plants, Pelargonium grandi

I. INTRODUCCIÓN

El siglo XX será recordado como un extraordinario siglo en las ciencias físicas. Fue durante este siglo en el que nuevos descubrimientos crearon entusiasmo sin precedentes en la comunidad científica. La superconductividad es uno de esos descubrimientos fascinantes de la ciencia que ha abarcado el siglo pasado hasta hoy en día. Aunque la comunidad científica había descubierto el fenómeno de superconductividad desde el año 1911, no fue sino hasta el año de 1986 el cual el público quedo fascinado por las nuevas perspectivas de la tecnología, debido a los nuevos materiales súper conductores descubiertos y sus grandes posibilidades de aplicación. Fue tanto el impacto dado por el descubrimiento del fenómeno, que comúnmente se le describe como un estado de la materia, en donde no hay existencia de una resistencia eléctrica, es decir, no hay disipación de energía al paso de la corriente eléctrica, generando así un gran ahorro de energía [1].

La conductividad es un estado en el que algunos materiales o elementos bajo ciertas condiciones de temperatura, campo magnético e intensidad de corriente eléctrica, generan esta resistencia eléctrica nula y actúan como diamagnéticos perfectos, es decir, excluyen completamente el campo magnético. Los materiales superconductores a través de su campo magnético distinguen dos tipos de superconductores los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo, y los del de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices formados por pares de electrones superconductores, que atrapan un cuanto flujo magnético [2].

Este tipo de factores esenciales en los superconductores no pueden ser explicados con la teoría clásica de la resistencia eléctrica, ya que, esta es una medida de la energía que se pierde en los choques de los electrones con la red atómica del material, y al disminuirse la temperatura, la resistencia eléctrica desaparece. En consecuencia, se han desarrollado nuevas teorías en donde explican el mecanismo en el cual establece esta propiedad, y actualmente aun predominan muchas incógnitas.

Por la ausencia de resistencia, los superconductores tienen numerosas aplicaciones que usan en eficiencia energética, medicina, electrónica, nanotecnológica, grandes instalaciones científicas, entre otros. De manera muy general, cabe mencionar, que los sistemas de transporten podrían llegar a ser construidos para levitar, haciendo posible velocidades que son desarrolladas por los aeroplanos, además, se tendría la posibilidad de transmitir energía eléctrica desde los centros de producciones, como reactores nucleares hasta centros de consumo, sin perdidas de ningún tipo en el trayecto, y también la posibilidad de invención de supercomputadoras con una eficiencia sumamente alta en velocidad [3].

Actualmente, empresas de tecnología, tales como AT&T, GE e IBM, ya están profundamente inmersos en el tema, y están subvencionando distintos proyectos de investigación en nuevas aplicaciones prácticas de los superconductores [4].

En este fenómeno trascendental hay una infinidad de actividades centradas en ella, y en la cual muchas personas indirectamente se han visto influenciadas pero aun así, ni siquiera se tiene un conocimiento mínimo de la existencia e importancia que tiene esté en el mundo de la tecnología y la física química.

El objetivo que se persigue al realizar esta disertación, es el describir la superconductividad eléctrica de forma sucesiva en los siguientes asuntos: historia, la evolución de las teorías que explican el fenómeno, propiedades físicas y químicas de estos materiales, las distintas implementaciones que se tienen hoy en día y sus aplicaciones futuras.

Historia y Fundamentos

- Descubrimiento de la superconductividad. Resistencia cero.

En inicios del siglo XX, Heike Kammerlingh Onnes, de la Universidad de Leiden, en Holanda, aprovecho el desarrollo de la tecnología criogénica en la obtención del helio líquido para hacer experimentos en un entorno estable de unos 4ºK de temperatura, investigando la resistividad de ciertos metales en función de esta temperatura.

En algunos metales, como fueron el platino y el oro, se realizaron experimentos a la medida de ebullición del nitrógeno, hidrogeno, oxígeno y helio, observándose el descenso gradual de la resistividad con la temperatura. Pero, las impurezas carentes en los metales tenían un efecto dominante en la resistividad y para evitarse, Onnes y su equipo de trabajo realizaron medidas con mercurio, del que se podía a través del proceso de destilación sucesiva, obtener muestras con un mayor grado de pureza. Estos experimentos, presentaron el esperado descenso gradual de la resistividad con la temperatura en las medidas realizadas con estos gases.

Sin embargo, en la utilización del helio, se presentaban cortocircuitos en el cableado utilizado en los experimentos, debido a que las resistencias medidas estaban por debajo de la sensibilidad de los instrumentos utilizados, es decir eran nulas. Específicamente, este experimento fue realizado por un asistente y estudiante de Onnes en 1911, Gilles Holst.

Holst, quien realizo infinidad de veces el experimento y se percató del hecho, anoto los valores de resistencia en función de la temperatura (Fig 1) y convenció a Onnes, en que el fracaso del experimento no se debía al montaje experimental sino al material utilizado, es decir, a través de estos experimentos se descubrió un material que carecía de resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas, y es lo que hoy en día se conoce como un superconductor. ‘Este estado en el que la resistencia es nula no se presenta en todos los materiales y, en los que los hace, aparece a temperaturas inferiores a una temperatura critica, asimilable a una temperatura de fusión o ebullición, en las que también se produce un cambio de estado termodinámico’. [5].

Fig 1. Diagrama resistencia-temperatura medido por Holst en 1911. La ordenada es la resistencia de ohms y la abcisa la temperatura de Kelvins. [5]

Después de ello, el experimento resulto ser repetible y, por el descubrimiento, se otorgó el premio Nobel de física a Onnes en 1913 (Fig 2).

Fig 2. Kammerlingh Onnes y Van der Waals. Premio Nobel de 1913 por el descubrimiento de la superconductividad. [5]

- Teoría de dos fluidos

Además de las medidas experimentales de resistencia de los metales analizados por Onnes, se realizaron medidas calorimétricas en este tipo de materiales. La combinación de medidas eléctricas y calorimétricas sugirió la presencia de dos tipos de electrones presentes en estos materiales superconductores.

Algunos electrones podían ejercer movimiento sin necesidad de colisionar con la red, estos eran los responsables de la resistencia nula, y otros electrones que se seguían comportando como partículas

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