laura trujeque camacho 1ºDC

MATERIALES SUPERCONDUCTORES

INDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. PROPIEDADES

2.1. RESISTENCIA NULA

2.2 LEVITACIÓN

3. EXPLICACIÓN FÍSICA DE LOS SUPERCONDUCTORES

3.1 PEQUEÑA INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA CUÁNTICA

3.2 PEQUEÑA INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE LAS TRANSICIONES DE FASE

4. SUPERCONDUCTORES CONVENCIONALES Y NO CONVENCIONALES

4.1. SUPERCONDUCTORES CONVENCIONALES

4.2 SUPERCONDUCTORES NO CONVENCIONALES

5. APLICACIONES DE LOS SUPERCONDUCTORES

5.1. MATERIAL ELÉCTRICO

5.2. MEDICINA

5.3. TRANSPORTES

5.4. ENERGÍA

6. BIBLIOGRAFÍA

1. INTRODUCCIÓN

A muy bajas temperaturas algunos materiales como el plomo y el aluminio cambian sus propiedades eléctricas y magnéticas y pasan a  no poseer resistencia eléctrica. Por tanto, un superconductor es un conductor perfecto ya que la conducción de los electrones se da sin pérdidas de energía. Estos materiales además expulsan el campo magnético (lo que se conoce como efecto Meissner) lo que da lugar a fenómenos de levitación.

Los superconductores ya se usan en múltiples aplicaciones y se espera que tengan un papel fundamental en las tecnologías del futuro en campos como la energía, el medio ambiente, el transporte, la nanotecnología y la salud.

2. PROPIEDADES

2.1. RESISTENCIA NULA

Durante el paso de la corriente eléctrica se producen pérdidas de energía porque los electrones que forman esta corriente sufren colisiones. Este fenómeno es lo que conocemos como resistencia y por tanto, la energía cinética de los electrones se pierde en forma de calor lo que se denomina

efecto Joule.

Sin embargo en 1911 el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes 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. Gracias a este descubrimiento junto con su método para lograr la producción de helio líquido, recibió dos años más tarde el premio Nobel de física.

De la experiencia de Kamerlingh obtenemos que un superconductor no presenta resistencia al paso de corriente, por lo que puede conducirla indefinidamente sin pérdida de energía aunque esté desenchufado. No contradice ninguna ley de la

Efecto Joule

Si por un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo.

El efecto Joule es el mecanismo de funcionamiento de las planchas, tostadoras, estufas eléctricas, etc.

termodinámica porque primero se conecta el superconductor a una fuente de alimentación y una vez generada la corriente se desconecta. Así un circuito superconductor se puede utilizar como acumulador de corriente para almacenar energía o para crear los campos magnéticos más potentes del mundo.

2.2 LEVITACIÓN

La 2ª propiedad de los materiales superconductores es su capacidad para expulsar los campos magnéticos, esta característica nos permite distinguir dos tipos de superconductores:

-Los superconductores de tipo I: expulsan los campos magnéticos debido al efecto Meissner. El efecto Meissner consiste en que el material superconductor crea corrientes superficiales que dan lugar a un campo magnético igual y opuesto al campo externo. Por tanto este efecto forma una repulsión entre un imán y un superconductor haciendo que levite uno sobre el otro. Si el campo magnético es suficientemente fuerte o la temperatura es alta se destruye la superconductividad y la levitación no ocurre.

Vemos un imán con sus líneas de campo magnético situado encima de un material superconductor. A una temperatura alta, el superconductor es un conductor normal y permite que el campo magnético lo atraviese. Sin embargo, cuando bajamos la temperatura, el superconductor expulsa el campo magnético del imán haciendo que levite.

-Los superconductores de tipo II expulsan totalmente el campo magnético (diamagnetismo perfecto) hasta un campo magnético crítico Hc1. Sin embargo, por encima de Hc1 el superconductor deja pasar parte del campo magnético a través de los vórtices, que son como unos tubos llamados así porque la corriente del superconductor circula en movimiento espiral dejando paso al campo magnético

De esta forma el material sigue siendo superconductor con resistencia cero pero sin diamagnetismo perfecto hasta campos críticos magnéticos mucho mayores (Hc2). Además, Hc2 es mucho mayor que Hc1 y es esta la propiedad que ha hecho posible que los superconductores se puedan utilizar para crear campos magnéticos muy intensos.

3. EXPLICACIÓN FÍSICA DE LOS SUPERCONDUCTORES

Ya sabemos que las dos características de los materiales superconductores son la resistencia nula y la capacidad de expulsar los campos magnéticos. Pero ¿cómo explicamos esto?

Conseguir responder a esta pregunta fue un trabajo de más de 40 años (desde 1911 hasta 1957) y todo porque el descubrimiento de la superconductividad llegó antes del desarrollo de dos teorías fundamentales: la física cuántica y la física de las transiciones de fase.

3.1 PEQUEÑA INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA CUÁNTICA

A finales del siglo XIX se pensaba que se entendía todo sobre la física de las partículas. Como el movimiento de los astros, de las bolas de una mesa de billar o de los proyectiles. Por otro lado, también se comprendían las ondas como las ondas del agua, el sonido o la luz como onda electromagnética.

La física cuántica es uno de los grandes logros del intelecto humano y es la base de la comprensión de los fenómenos naturales. La física cuántica explica el átomo, el enlace químico, las moléculas, la interacción de la luz con las partículas, la materia…

La idea principal es que las partículas son también ondas y las ondas son también partículas, lo que se conoce como dualidad onda-corpúsculo.

El electrón, por ejemplo, es entonces onda y partícula a la vez y se describe por una función de onda que tiene una amplitud y una fase:

- El cuadrado de la función de onda nos da la probabilidad de encontrar el electrón

- Su fase se puede observar porque produce fenómenos de interferencia.

La física cuántica es entonces esencialmente probabilística a diferencia de la física clásica que es determinista.

3.2 PEQUEÑA INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DE LAS TRANSICIONES DE FASE

Descarte expuso en su discurso del método que el mundo era una máquina y para entenderlo solo tenemos que entender sus elementos constituyentes. Por ejemplo: como la materia está formada por átomos, si entendemos los átomos también entendemos la materia; a su vez los átomos están

constituidos por neutrones, protones y electrones y si comprendemos estos últimos, entenderemos el átomo y así sucesivamente.

Sin embargo, no son pocos los casos en los que esto parece no cumplirse, ya que el todo parece ser más que la suma de las partes:

1. Un conjunto de átomos de hierro no nos desvela como surge el magnetismo.

2. Aunque conozcamos perfectamente las moléculas de ADN, no entendemos todavía cómo surgió la vida.

3. Hemos descubierto todas las partes de una neurona, pero no entendemos cómo se da la conciencia.

4. Por último, juntando un grupo de personas, no sabemos predecir qué pasará en una sociedad.

Todos estos problemas coinciden en que sus elementos constituyentes (átomos de hierro, moléculas de AND, neuronas y personas) interaccionan entre sí y es de esta interacción y de la interacción con su entorno de la que surge el magnetismo, la vida, la conciencia o una sociedad.

Para entender esto, lo más sencillo es llevarlo al mundo de la física con un ejemplo que todos conocemos: los cambios de estado del agua.

La temperatura es igual a la energía cinética media de las partículas, es decir mide la capacidad de movimiento de estas. Al bajar la temperatura las partículas se mueven cada vez más lentamente y se producen transiciones de fase de gas a líquido y de líquido a sólido. En el sólido el movimiento de las partículas se reduce a las vibraciones de los átomos o iones en su posición dentro de la red iónica: son las llamadas vibraciones térmicas. Por lo tanto el material pasa de un estado más desordenado a alta temperatura a un estado a baja temperatura más ordenado.

Ahora es necesario observar el problema de la superconductividad desde el contexto de una teoría de emergencia, ya que la superconductividad se trata de un fenómeno emergente en el que:-Los electrones son las partículas

constituyentes que interaccionan entre sí y con su entorno (los iones). -Al disminuir la temperatura se produce un cambio de fase y el material pasa de ser un metal a ser un superconductor.

Fase metálica

En esta fase la temperatura es alta y el electrón interacciona con otros electrones y con las vibraciones de los iones del sólido. Siendo de esa interacción de la que surge la resistencia, culpable de que la energía cinética de los electrones se pierda en forma de calor.

Fase superconductora

En esta fase la temperatura disminuye considerablemente, sin embargo a diferencia del agua, en la que el orden de las partículas se conseguía cuando estas quedaban en posiciones fijas, en los materiales superconductores esto no es posible ya que existe un flujo continuo de electrones.

Por tanto en la fase superconductora el orden se consigue en el espacio de velocidades, en el que todos los electrones se mueven a la misma velocidad. Cooper propuso y demostró en 1956 que si entre dos electrones existe una interacción negativa, se pueden unir y por tanto en el estado superconductor se forman parejas de electrones llamadas pares de Cooper que se unen formando un estado colectivo que es una función de onda cuántica macroscópica.

Estos pares de Cooper tienen una naturaleza completamente diferente a la de los electrones, ya que pueden fluir como si fueran un láser al formar unas partículas que los físicos llaman bosones. Es decir, los electrones dejan de ser esas partículas que chocaban las unas con las otras, para convertirse en bosones capaces de unirse al resto de las partículas en un movimiento cuántico colectivo:

Mecanismo o pegamento

Explicación del estado cuántico colectivo

El movimiento de los bosones en la fase superconductora es un movimiento cuántico colectivo: Es cuántico porque viene descrito por una función de onda y es colectivo porque participan en este estado todos los pares de Cooper.

Además los pares de Cooper están ligados y tienen la misma energía y la misma fase de tal forma que cada par de Cooper sabe qué está haciendo su vecino. El estado cuántico colectivo se extiende por todo el material por lo que nos concede la oportunidad de ver a escala humana la física cuántica.

Llegados a este punto, surge la cuestión: ¿Cómo es posible que se unan dos electrones si estos se repelen por tener la misma carga eléctrica?

Esta duda se resuelve mediante el mecanismo o el pegamento: Al disminuir la temperatura los electrones se mueven cada vez más despacio hasta que a una temperatura crítica el entorno positivo de las vibraciones de la red de iones es suficiente para unir a la pareja de electrones (los pares de Cooper) y formar un condensado.

Por tanto las vibraciones térmicas de los iones tienen un papel esencial en el apareamiento de dos electrones para formar pares de Cooper que dan lugar a este estado colectivo.

Todos estos descubrimientos posteriormente demostrados dieron lugar a la famosa teoría BCS, que recibe su nombre de las iniciales de quienes la idearon: John Bardeen, Leon Cooper, y John Robert Schrieffer.

Estos tres físicos consiguieron redactar la teoría más importante en el campo de la superconductividad desde el punto de vista microscópico y por ello recibieron el premio Nobel de física en 1972.

Temperatura crítica de los superconductores

El primer superconductor que descubrió Karmelingh Onnes estaba a una temperatura de -269ºC, cerca del cero absoluto, y fue posible gracias a que previamente consiguió la licuefacción del helio en 1908. Actualmente el récord en temperatura crítica está en la familia de los cupratos con -135ºC para lo que es suficiente enfriar con nitrógeno líquido cuyo punto de licuefacción es de -196ºC. En vez de grados centígrados los físicos prefieren utilizar grados Kelvin siendo 0ºC=273.15 K. De esta forma el cero absoluto de temperatura es el 0K en el que no existe ningún tipo de movimiento.

Aunque la teoría BCS parecía contener todas las respuestas al enigmático estado de superconductividad, tenía un punto débil. Bardeen, Cooper y Schrieffer no consiguieron explicar qué materiales pueden ser conductores y por qué.

Por ello muchos de los químicos interesados en este tema comenzaron a someter todos los elementos de la tabla periódica, así como aleaciones, a temperaturas extremadamente bajas. De esta manera se consiguió crear una gráfica como la anterior en la que aparecen los elementos y aleaciones que sí son superconductores y a la temperatura a la que adquieren esta capacidad.

4. SUPERCONDUCTORES CONVENCIONALES Y NO CONVENCIONALES

Si observamos la tabla anterior de las temperaturas críticas detenidamente nos percatamos de que por debajo de 26 K hay muchos más elementos capaces de adquirir la superconductividad que por encima de esta temperatura.

Este límite lo rompió el físico Karl Alexander Müller cuando trabajaba en el laboratorio de investigación de la empresa IBM en Zúrich, con la ayuda de otro físico llamado Johannes Georg Bednorz. Trabajando juntos en 1986 se descubrieron la existencia de superconductividad en un óxido de cobre. Esto fue una gran sorpresa, no sólo por la temperatura crítica a la que se producía la superconductividad (-235ºC, la mayor hasta la fecha), sino también porque la superconductividad aparecía en materiales cerámicos que conducen muy mal la electricidad. La estructura atómica de este material incluía capas de cobre y oxígeno, formando una red cuadrada. Rápidamente se demostró que la superconductividad aparecía en otros

materiales que poseían estas mismas capas de cobre-oxígeno a temperaturas de hasta -135ºC.

A partir del descubrimiento de estos elementos que adquieren la superconductividad a altas temperaturas surge una nueva cuestión ¿Cuál es el pegamento que mantiene unidos a los electrones? Antes hemos explicado que para conseguir un par de Cooper era necesario someter al material a temperaturas muy bajas en las que las vibraciones térmicas de la red iónica era capaces de unir a los electrones. Sin embargo, en los nuevos superconductores debe ser otra la razón por la que se unan los electrones. De esta manera podemos dividir a los materiales superconductores en dos grupos:

-Los convencionales: si la formación de los pares de Cooper está mediada por las vibraciones de la red de átomos.-Los no convencionales: cuando el origen de los pares de Cooper es otro.

Desde entonces la comunidad científica ha hecho un gran esfuerzo para explicar el origen de la superconductividad en estos materiales. Sin embargo, 25 años después no hay una teoría aceptada que explique por qué superconducen estos materiales. Por tanto entender el origen de la superconductividad de alta temperatura es uno de los principales retos de la ciencia actual.

4.1. SUPERCONDUCTORES CONVENCIONALES

La superconductividad se descubrió en 1911 en mercurio. Junto a este son muchos los materiales y elementos químicos que se vuelven

superconductores al bajar la temperatura. Algunos como el plomo, el aluminio o el estaño tienen aparecen habitualmente en nuestra vida cotidiana.

4.2 SUPERCONDUCTORES NO CONVENCIONALES

Cupratos

La estructura de los cupratos está caracterizada por capas de cobre y oxígeno, que forman una red cuadrada. En los vértices de cada cuadrado se sitúan los átomos de cobre mientras que los átomos de oxígeno se encuentran en el punto medio de las aristas. Estas capas atómicas controlan el comportamiento del material al paso de la corriente eléctrica. En los óxidos de cobre, también llamados cupratos, la aparición de la superconductividad está ligada a la cantidad de electrones que se mueven en la capa de cobre-oxígeno.

Superconductores de hierro

Al igual que en los óxidos de cobre la estructura atómica de los superconductores de hierro está caracterizada por láminas bidimensionales, en este caso de hierro y arsénico o de hierro y selenio. Los átomos de hierro forman una red cuadrada. En el centro de cada cuadrado desplazado hacia arriba o abajo de forma alterna se sitúan los átomos de arsénico o selenio. De forma similar a lo que ocurre en los cupratos, la aparición de la superconductividad en los superconductores de hierro depende de la cantidad de electrones en la capa que contiene al hierro.

5. APLICACIONES DE LOS SUPERCONDUCTORES

Los superconductores tienen numerosas aplicaciones. Actualmente, los imanes más potentes se fabrican con bobinas de cables superconductores, algunos ejemplos son los imanes que se utilizan en los aceleradores de partículas, y en los aparatos de resonancia magnética nuclear. Los imanes potentes son también aparecen en los generadores que transforman energía mecánica en electricidad (como es el caso de los generadores eólicos e hidráulicos).

Con superconductores se pueden también fabricar detectores ultrasensibles de campos magnéticos. Otras aplicaciones que están en desarrollo son las dirigidas al logro una mayor eficiencia energética (cables que conducen la electricidad sin pérdidas de energía) y a los transportes (trenes que levitan).5.1. MATERIAL ELÉCTRICO

Los cables superconductores no sólo ahorran energía al no producir calor, sino que también admiten la transferencia de mucha mayor potencia que un cable de cobre con el mismo voltaje. Además no producen altos campos electromagnéticos en sus proximidades ni efectos térmicos por lo que los cables se pueden enterrar en vías subterráneas ya existentes.

Actualmente existen proyectos internacionales con participación española (ICMAB-CSIC, UAB y financiación de Endesa) para el desarrollo de cables superconductores mejores y más baratos, con la demostración en 2009 del cable superconductor que soporta mayor intensidad de corriente eléctrica. Noticia publicada por el diario EL PAÍS el 30 de abril de 2010:

5.2. MEDICINA

Gracias al efecto Josephson, los superconductores pueden utilizarse para medir campos magnéticos. Esto se logra mediante un dispositivo que se llama SQUID por sus siglas en inglés (Superconducting Quantum Interference Device). De hecho los SQUIDS son los detectores más sensibles de campos magnéticos. Su uso es de gran importancia en los laboratorios científicos y en medicina.

Los magnetoencefalogramas registran la actividad cerebral mediante la detección de los campos magnéticos del cerebro. Esta actividad se ve alterada por determinadas enfermedades como el

Alzheimer. Los campos magnéticos generados son muy débiles por lo que es necesario disponer de sensores extremadamente sensibles y precisos. Gracias a los SQUIDS es posible realizar mapas funcionales de gran precisión.

Por otra parte, los aparatos de resonancia magnética que se utilizan en pruebas médicas de imagen, funcionan gracias a imanes creados con superconductores.

5.3. TRANSPORTES

Aunque actualmente su uso es muy limitado se espera que los superconductores tengan un gran impacto en el transporte. Por una parte la posibilidad de construir motores superconductores mucho más pequeños y ligeros es una tarea pendiente en la navegación marítima. La empresa americana American Superconductors ya ha construido un prototipo de barco impulsado mediante un motor superconductor. De forma similar los motores superconductores pueden utilizarse en automóviles como el construido por la empresa japonesa Sumitomo:

En el ámbito ferroviario los superconductores pueden utilizarse para construir trenes que levitan sobre vías magnéticas. Los superconductores se colocan en los bajos del tren y pueden utilizarse en la levitación de dos formas. En el tren maglev de Japón los superconductores se utilizan para generar campos magnéticos y el tren levita sobre las vías por levitación magnética aprovechando que los polos magnéticos iguales se repelen. Por el contrario en el prototipo de tren urbano que se está construyendo en Brasil se utiliza la levitación magnética superconductora. Los trenes que levitan son más seguros y pueden alcanzar altas velocidades.

5.4. ENERGÍA

Los superconductores suponen una gran promesa para combatir el problema de la demanda energética: nos pueden permitir generar, conducir y almacenar la electricidad de forma más eficiente.

Una forma de generar energía es convertir energía mecánica en eléctrica, como en los generadores eólicos e hidráulicos. El uso de imanes producidos por bobinas superconductoras en estos generadores disminuye su peso y dimensiones, así como las pérdidas mecánicas en la producción de energías alternativas.

La energía eólica es una de las grandes promesas de energía verde debido a que es una energía limpia, renovable y abundante. España es la segunda potencia mundial detrás de Alemania y seguida de Estados Unidos.

Actualmente se está trabajando mucho en mejorar el aerogenerador que transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica y minimizar el problema de la intermitencia del viento. Hasta ahora se ha conseguido aumentar la potencia haciendo molinos cada vez mayores (de 114m de altura con aspas de 62m) haciendo que el manejo de esta infraestructura sea complejo. Así mismo se ha logrado mayor eficiencia con el uso de generadores de imanes permanentes con pesos que rozan las 180 toneladas.

 

El aerogenerador superconductor es un 75% más ligero y un 50% más pequeño. Esto se debe a que una vez cargados la corriente no se deteriora con lo que se elimina el peso adicional

de los cargadores. Un molino de viento superconductor equivaldría a entre 3 y 6 molinos de viento convencionales. El aerogenerador superconductor presenta además un bajo nivel de ruido.

 

El departamento de energía de los Estados Unidos ha invertido millones de dólares en el desarrollo de la nueva generación de los aerogeneradores superconductores. Uno de los aspectos claves en la investigación actual se centra en producir cables de estos superconductores de alta temperatura de gran eficiencia a precios competitivos. Hay varias compañías actualmente trabajando en el desarrollo de estos aerogeneradores superconductores tales como American Superconductors, Nexans y Sumitomo.

 

6. BIBLIOGRAFÍA

-PRINCIPIA MÁLAGA (2013) La superconductividad - Belén Valenzuela Requena [Vídeo]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=YkrzkPFDWN4

- BASCONES, Leni. Superconductividad (ICMM-CSIC) [en línea]. Actualizada: 2013. [Fecha de consulta: 9 de junio 2015]. Disponible en http://www3.icmm.csic.es/superconductividad/

- ICMA (Instituto de materiales de Aragón). Materiales superconductores [en línea]. Actualizada: 2011. [Fecha de consulta: 9 de junio 2015]. Disponible en http://www.unizar.es/icma/divulgacion/pdf/pdflevitsupercon.pdf