MacElec. Superconductores

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Contenido

Introducción        2

Propósito        3

Desarrollo        3

Tipos de Superconductores        3

Superconductor Tipo I        3

Superconductor Tipo II        4

Historia de los superconductores        4

Origen        5

Desarrollo de las principales Teorías de superconductores        5

Descubrimiento de los superconductores de alta temperatura        6

Aplicaciones de los superconductores        6

Conclusiones y Comentarios        10

Referencias        10

Introducción

“Las lámparas sin electricidad no dan luz, y la electricidad sin lámparas, tampoco. Juntas, sin embargo, eliminan toda oscuridad.” — Marianne Williamson, escritora estadounidense 1952.

Todos los materiales de origen natural o artificial pueden dividirse en dos tipos de acuerdo a su capacidad para conducir electricidad. Por un lado, tenemos los llamados conductores, en los que podemos encontrar metales como cobre (Cu), plata (Ag) y oro (Au); los cuales permiten a los electrones circular libremente acarreando con ellos una carga eléctrica. Y por otro lado existen los aislantes, como la madera o el caucho que no permiten la circulación de corriente ni el flujo de electrones a través de ellos.                    [pic 10][pic 11]

Pese a que los metales suelen ser buenos conductores, la energía cinética del flujo de electrones hace que los átomos del conductor vibren y choquen con éstos, generando un incremento de temperatura en el conductor lo que a su vez aumenta la resistividad eléctrica y por consiguiente se produce una pérdida de energía en forma de calor (pérdidas por efecto Joule). 

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. Por lo tanto, los materiales que puedan manifestar dicho fenómeno reciben el nombre de superconductores. En el presente trabajo se mostrará más a detalle este fenómeno, describiendo sus límites y alcances, sus ventajas y desventajas, así como sus aplicaciones.

Propósito

El propósito de la siguiente investigación es ampliar los temas vistos en el curso de máquinas eléctricas. En consecuencia, incentivamos a qué los alumnos de semestres posteriores logren informarse acerca del tema de superconductores y con ayuda de este documento pueden ahondar más en el tema, comprendiendo y obteniendo una mejor idea del tema de forma concisa y clara.

Desarrollo

La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce (lo cual se logra con helio o nitrógeno líquido. Sin embargo, incluso cerca del cero absoluto, una muestra de cobre presenta una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Esta temperatura crítica es la brecha entre el fenómeno de superconductividad, de manera que si se logra reducir la temperatura por debajo de esta, ocurrirá el fenómeno.

Tipos de Superconductores

Superconductor Tipo I

Este tipo de material es perfectamente diamagnético. Esto quiere decir que existe una desaparición total del flujo del campo magnético en el interior del material superconductor por debajo de su temperatura crítica y además, las líneas de campo magnético son expulsadas del interior del material,, lo que se conoce como efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld.[pic 12]

La aparición del diamagnetismo en este tipo de superconductores es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Estas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto 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 de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía. [pic 13]

Superconductor Tipo II

Son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo  magnético realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Estos van aumentando en número colocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas adecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. Este es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura. En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se detecte una cierta disipación de energía debida al choque de los vórtices con los átomos de la red.

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Figura 3. Comportamiento de un superconductor de tipo I (arriba), y de tipo II (abajo) en presencia de un campo magnético (B) permanente.

Historia de los superconductores

Origen

Uno de los pioneros más importantes en el campo de los superconductores fue Heike Kamerlingh Onnes, un físico neerlandés que en 1911 observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía bruscamente al enfriarse a 4 K (-269 °C), cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente hasta el cero absoluto. Kamerlingh recibió el premio Nobel de física gracias a este descubrimiento y a su método para lograr la producción de hielo líquido, sin el cual no hubiese podido hacer descender la temperatura a niveles cercanos al cero absoluto. Los siguientes avances en este campo se darían en 1913 y 1916, cuando se descubrió que un campo magnético suficientemente grande también destruye el estado superconductor y la existencia de una corriente eléctrica crítica, respectivamente.

Las limitantes en la comprensión de este fenómeno, el cual es cuántico, y las herramientas matemáticas que disponían los físicos de aquel entonces para enfrentar este problema, dieron como resultado un invierno de descubrimientos en este campo, por esto es que sólo se hizo investigación fenomenológica, como por ejemplo el efecto Meissner en 1933.. No fue hasta los años cincuenta que se dieron más resultados concretos en el tema.

Desarrollo de las principales Teorías de superconductores

Teoría Ginzburg-Landau

En 1950 fue desarrollada la teoría Ginzburg-Landau, la cual es una generalización de la teoría de London, la cual fue creada en 1935. Se centra más en las propiedades macroscópicas que en la teoría microscópica, basándose en la ruptura de simetrías en la transición de fase.

Esta teoría predice mucho mejor las propiedades de sustancias heterogéneas, debido a que el problema puede ser intratable desde el punto de vista microscópico cuando se consideran estas sustancias. La teoría se fundamenta en un cálculo variacional en el que se trata de minimizar la energía libre de Helmholtz, la cual mide el trabajo obtenible de un sistema cerrado, con respecto a la densidad de electrones que se encuentran en el estado superconductor. Esto quiere decir que se trata de modelar el sistema de manera que a pesar de tener una gran densidad de electrones, la energía disipada por el sistema es casi nula.

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