SUPERCONDUCTORES monografia

7/24/2019 SUPERCONDUCTORES monografia

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Superconductores

Curso:MATERIALES DEINGENIERIA QUIMICA

Docente: ING. GREGORIOPALOMINO.

Presentado por:LEYDIMAIDANA

PARI GALLEGOS.

Seestre:III

! !

TRA&A'O ENCARGADO

Un()ers(dad Nac(ona*de* A*t(p*ano!Puno INGENIERIA

QUIMICA


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SUPERCONDUCTORES

DEDICATORIAEste presente tra+a,ose *o ded(co conuc-o aorpr(eraente a D(osue e -a dado *a)(da.

A ( adre por estara-/ cuando 0s *a

neces(te.


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CAPITULO I.INTRODUCCION DE LOSSUPERCONDUCTORES.

Descubridores de los superconductores Resea histrica

CAPITULO II. SUPERCONDUCTORES

CONCEPTO DE SUPERCONDUCTORES. L TEORI DE !CS" E#ECTO $EISSNER"

E#ECTO %OSEP&SONCAPITULO III.TIPOS ' USOS DE $TERILESSUPERCONDUCTORES

CLSI#ICCION DE LOS $TERILESSUPERCONDUCTORES.

TIPO I O SU(ES

TIPO II O DUROS Superconductoras a )altas* te+peraturas


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CAPITULO I.

INTRODUCCION DE LOS SUPERCONDUCTORES

Descubridores de los superconductores.

En 1911, el fsico holands Kammerlingh Onnes observ que la resistencia

elctrica del mercurio adquira un valor de cero cuando ste se enfriaba a una

temperatura cercana al cero absoluto (!" grados Kelvin o menos "#9 grados

$elsius%!&e este modo se descubri el fenmeno de la superconductividad!


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En 19'', eissner ) Ochsenfeld descubrieron que cuando se le aplica un campo

magntico e*terno a un material superconductor, ste lo recha+a! a combinacin

de estas propiedades (conductividad infinita ) e*pulsin del campo magntico%

caracteri+an a los materiales superconductores!

a doctora Eli+abeth $havira artne+, investigadora del -nstituto de -nvestigacin

en ateriales de la ./0, nos narra algunos de los episodios ms importantes de

la ciencia de materiales que siguieron a estos descubrimientos!

&urante las primeras dcadas de este siglo se lleg a pensar que la

superconductividad quedara su2eta sin remedio a mu) ba2as temperaturas!

Empero, a principio de los setenta se obtuvo un material superconductor (una

aleacin de niobio '3germanio%a una temperatura crtica de "' grados Kelvin! atemperatura crtica, es aquella a la que un material se hace superconductor!

En 194#, el fsico Karl 0le* 5ller, del laboratorio de -6 en 7urich,observ que un

*ido cermico, compuesto de bario, lantano ) cobre tena una temperatura crtica

de '8 grados Kelvin!Estaba en marcha la carrera por obtener superconductores de

altas temperaturas!

En 194, el grupo del doctor $hu, en Estados .nidos, descubri un material de

itrio3bario3cobre3o*geno que es superconductor a 9' grados Kelvin (menos 148

grados centgrados%! .n gran pas, pues )a se poda prescindir del helio lquido,

que es mu) caro, para enfriar el material! a temperatura crtica haba superado

los grados Kelvin (menos 19# grados $elsius%, punto de licuefaccin del

nitrgeno, que es mu) abundante!

0 principio de los ochenta el qumico francs 6ernard :aveou sinteti+ un

compuesto de bismuto3estroncio3cobre3o*geno! ;osteriormente, otros

investigadores notaron que al aumentar los planos de cobre3o*geno de este

compuesto aumentaba la temperatura crtica! ;ero, como todo, esto tiene un

lmite!


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:ecientemente, el doctor $hu elabor un material que contiene mercurio sometido

a altas presiones ) report que su temperatura crtica es de 1#< grados Kelvin

(menos 184 grados centgrados%! a ms alta hasta ahora en un material estable!

os nuevos compuestos cermicos de alta temperatura crtica tienen unaestructura cristalina del tipo de la persiquita! ==Estos compuestos tienen deficiencia

de o*genos (aniones% ) esta deficiencia les da las propiedades

superconductoras>>!

RESEA HISTORICA

a historia de la superconductividad comen+ en 1911 en e)den, cuando el fsico

holands ?ei@e Kammerling Onnes (foto% desarroll las primeras tcnicas

criognicas para enfriar muestras de materiales hasta algunos grados por encima

del cero absoluto (correspondiente a cero Kelvin, es decir, A"',1< B$%!

Cue el primero que consigui llevar el helio por deba2o de su punto de licuefaccin

(,"K%, abriendo as el campo de las mu) ba2as temperaturas! 0l principio,

Kamerlingh Onnes Dmonopoli+D completamente este campo, )a que e)den fue,

hasta 19"', el nico lugar del mundo que dispona de helio lquido!

En aquellas pocas se saba que los metales tienen una resistividad que

disminu)e de manera prcticamente lineal con la temperatura hasta unos "8 K, )

se quera averiguar que ocurra con esta resistividad en las pro*imidades del cero

absoluto! Kamerlingh Onnes se dio cuenta mu) pronto de que era necesario

disponer de metales mu) puros, si quera obtener resultados libres de toda

ambig5edad!

Eligi el mercurio, elemento que puede conseguirse con un alto grado de pure+a )

que adems es conductor en estado metlico! &e este modo, ) enfriando el

mercurio a mu) ba2a temperatura, pudo observar un fenmeno nuevo ) totalmente

inesperadoF a una temperatura de ," K, el mercurio pasaba bruscamente a un

estado en el que, repentinamente, no ofreca resistividad alguna al paso de la

corriente elctrica! Esta transicin se manifestaba por una cada mu) brusca de la

resistividad! Kamerlingh Onnes haba descubierto la superconductividad!


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;oco despus se observ que la misma transicin al estado de superconductor se

produca en otros metales, como el plomo o el niobio, a temperaturas crticas

ligeramente ms altas! En todos los casos la temperatura que se requera era slo

un poco ma)or que la del cero absoluto, que en la prctica nicamente poda

conseguirse sumergiendo un tro+o del material en helio lquido, que hierve a ," K

a la presin atmosfrica normal!

Onnes pens enseguida la posibilidad de construir un electroimn de alto campo ),

en 191', constru) una bobina de plomo para ensa)ar la idea! os resultados

fueron desconcertantes! Gi bien la bobina era superconductora en tanto que la

corriente de e*citacin fuera pequeHa, cuando el campo magntico e*ceda de

una intensidad moderada el plomo pasaba siempre al estado resistivo!

E*perimentos ulteriores mostraron que todos los superconductores metlicos

puros presentaban una intensidad de campo crtica que les era propia ) que

estaba claramente definida, siendo usualmente menor de 8,1 IJ al llegar a este

valor, la superconductividad se e*tingua sbitamente!

;osteriormente a partir de los aHos 19'8, la superconductividad se observ

tambin en cuerpos compuestos, principalmente en aleaciones intermetlicas!

En 19'', ! eissner ) :! Ochsenfeld observaron un fenmeno adicionalF lae*clusin del flu2o magntico e*terno cuando el superconductor es enfriado por

deba2o de su temperatura critica Ic! En su honor este efecto se conoce ho) en da

como efecto eissner ) es el responsable de la imagen tpica que todos

asociamos con la superconductividadF la de un pequeHo disco de material

refrigerado flotando libremente en el aire por encima de un imn (foto%!

El e*perimento de eissner demostr que el superconductor no cumpla con la

formulacin clsica de las ecuaciones de a*Lell para resistividad nula!

En 19'< los hermanos Crit+ ) ?ein+ ondon desarrollaron una teora

fenomenolgica de la superconductividad, es decir, estudiaron cmo ocurren las

cosas en un superconductor, pero no el porqu! En esta teora, a las ecuaciones

de a*Lell se agregaban dos ecuaciones complementarias para el efecto


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eissner, para demostrar que el campo magntico decae en el interior del

superconductor con una longitud caracterstica conocida como longitud de

penetracin l! 0dems Crit+ ondon sugiri que la superconductividad es una

manifestacin de la mecnica cuntica operando a escala microscpica!

En la dcada de los


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electrones con momento ) spin opuestos unidos por una fuer+a de tipo atractivo

producida por la interaccin con la red de iones positivos en la cual ellos se

mueven! 0s superconductividad aparece como consecuencia de la e*istencia de

los pares de $ooper mediados por la interaccin electrnAfonn!0smismo la teora

6$G permite determinar la distancia promedio a la cual se encuentran los dos

electrones que forman el par de $ooper, conocida como longitud de coherencia,

concepto que haba sido introducido por los tericos rusos Min+burg ) andau en

19


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ma)ora de los fsicos haban acabado por convencerse de que no poda llegarse

mucho ms le2os!

En 194#, 0le* uller ) Meorge 6ednor+ (respectivamente en las fotos% detectaron

superconductividad en una nueva cermica, un o*ido de barioPlantanoPcobre(a6a%"$uO a una temperatura Ic superior a '< K! En 194 aLAKuen u )

;aul $! ! $hu descubrieron una cermica de o*ido de itrio, bario ) cobre

(conocida abreviadamente como Q6a$uO% conocida con el sobrenombre 1"', que

era superconductora a 9' grados Kelvin! Esto significaba que estos materiales

podan refrigerarse con nitrgeno lquido! ?asta los refrigeradores de laboratorio

ms pequeHos podan enfriarlos por deba2o de la temperatura crtica! ;or todo el

mundo, los cientficos continuaron descubriendo centenares de cermicas con

temperaturas crticas cada ve+ ma)ores!

;or otra parte, a partir del descubrimiento de los fullerentos, una nueva forma

cristalina del carbono, diversos grupos se interesaron en las propiedades de

transporte del denominado $#8, llegando a encontrar que ciertas sales de $#8

eran superconductorasJ as el $#8 dopado con potasio con una estequiometria

K'$#8 tiene una Ic de 14 K ) el dopa2e con rubidio conduce a Ic del orden de "4

K! 0 pesar de muchos esfuer+os en la bsqueda de otro tipo de materiales son los

curatos los materiales que, a la fecha, muestran Ic por encima de los 188 K!

&esde 194#, fecha de su descubrimiento los superconductores de temperaturas

relativamente RaltasS plantean difciles problemas a los tericos! Iodava no se

sabe si el mecanismo responsable del agrupamiento de los electrones por pares,

que est en el origen de la superconductividad, es o no similar al de los

superconductores convencionales o clsicos!


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CAPITULO II

CONCEPTO DE SUPERCONDUCTORES


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os materiales superconductores no presentan en determinadas condiciones

ninguna resistencia al paso de la corriente elctrica, lo que hace que no se

calienten por efecto oule, por lo que no e*isten prdidas de energa! Estefenmeno se produce al enfriarlo por deba2o de su Iemperatura $rtica (I$% en la

que los electrones agrupados en pare2as se despla+an por el conductor sin

chocar con los tomos del material de que se trate (pares de $ooper%! Esta

temperatura como es sabido es caracterstica de cada material

superconductor!

En el inicio del descubrimiento de las caractersticas este tipo de materiales estuvo

unido a la obtencin de esas ba2as temperaturas en el laboratorio a partir de-magen de las instalaciones del $erno!

0ntena de Ielecomunicacin P 06:- "81" 19sobre las variaciones de las

propiedades del ?g con la temperatura, descubri la superconductividad en

este metal al enfriarlo a una temperatura de A"#9B $! Es importante seHalar que

al ser en un superconductor el valor de : T 8, una ve+ aplicada una corriente sta

flu)e por el conductor de forma permanente sin que se precise diferencia de

potencial aplicada!

El descubrimiento del fenmeno de la superconductividad se debe pues a este

fsico holands! &e su biografa, decir que de 141 a 14' estudi en la

.niversidad de ?eidelberg, donde fue alumno de los fsicos alemanes :obert

6unsen ) Mustav Kirchhoff, ) se doctor en la .niversidad de Mroninga (149%! &e

144 a 144" fue profesor en la Escuela ;olitcnica de &elft, puesto que de2 ese

mismo aHo para ocupar el de profesor de fsica en la .niversidad de eiden hasta

que se retir en 19"'!

0s pues la ma)ora de los superconductores manifiestan sus propiedades solo

a temperaturas mu) ba2as ) pr*imas al cero absoluto!


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0l subir la temperatura ) llegar a la temperatura crtica empie+an a perder sus

propiedades caractersticas ) vuelven a recuperar las propias del material de

que se trate!

;or el contrario, cuando la temperatura desciende por deba2o del punto crticodisminu)e su resistencia ) la corriente puede llegar a circular por el material sin

resistencia alguna!

os superconductores de tipo -, tambin conocidos como superconductores

blandos, presentan un valor de Ic ) de ?c demasiado ba2os para cualquier

aplicacin prctica! Estos son conductores perfectos de la electricidad por

&eba2o de Ic, pero pierden su propiedad a un valor crtico del campo magntico

por deba2o de 1


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diamagnticos, como lo superconductores de tipo -, hasta un valor de un campo

magntico aplicado llamado campo crtico inferior ?c1, ) de este modo el flu2o

magntico es recha+ado del material! ;or encima de ?c1el campo empie+a a

penetrar en el superconductor de tipo -- ) continua as hasta que alcan+a el campo

crtico superior ?c"! En el intervalo entre ?c1) ?c"el superconductor est en

estado mi*to ) por encima de ?c"vuelve a su estado normal!

En la regin comprendida entre ?c1) ?c"el superconductor puede conducir

corriente elctrica dentro del ncleo " del material ) de esta forma, dicha banda de

valores del campo magntico puede ser usada para superconductores de alto

campo ) alta corriente, como por e2emplo el /iIi ) /i'Gb que son

superconductores del tipo --!

os superconductores del tipo - son poco tiles para transportar la corriente

elctrica, )a que la corriente slo puede fluir por la capa superficial e*terna de una

muestra conductora! a ra+n por la cual sucede esto es que el campo magntico

solo puede penetrar la capa superficial, ) la corriente slo puede fluir por esta

capa!

En los superconductores de tipo --, por deba2o de ?c1, los campos magnticos se

comportan de igual manera!

Gin embargo, si el campo se encuentra entre ?c1) ?c"(estado mi*to%, la corriente

puede ser transportada por el interior del conductor en filamentos! El campo

atraviesa el volumen del superconductor en forma de haces de flu2os cuan ti+ados

e individuales, llamados flu*oides! .na super corriente cilndrica en torbellino

rodea cada flu*oide! $on el aumento de la fuer+a del campo magntico, ms )

ms flu*oides entran en el superconductor ) constitu)en una formacin peridica!

;ara ?c"la estructura a base de vrtices de sper corriente colapsa ) el materialvuelve a su estado de la conduccin normal!

&esde otro punto de vista, los materiales superconductores se pueden clasificar

en tres grupos principalesF elementos metlicos, aleaciones ) compuestos!


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os elementos metlicos pertenecen al tipo -, ) no ofrecen grandes posibilidades

de aplicaciones prcticas!

Gin embargo las aleaciones, en especial aquellas que contiene elementos de

transicin como el /bA7r, /bAIi ) oA:e, tienen una Ic de alrededor de 18 K, ) uncampo magntico crtico relativamente elevado! Estas aleaciones se han utili+ado

en la construccin de bobinas superconductoras para imanes!

os ms prometedores son algunos compuestos intermetalicos (anteriormente

anunciados% con un campo magntico mu) elevado ("18888 Oe o 1#11"#9

0v! Pm%!

u! es lo "ue #$ce "ue un superconductor pierd$ su resistenci$%

0l principio pareca probable que a temperaturas mu) ba2as, la estructura atmica

del material se dispusiera en una forma perfectamente ordenada! Entonces los

electrones A as se postulabaA podan moverse por el espacio vaco entre los

ncleos atmicos sin chocar con nada ni perder energa! ;ero la e*plicacin en

realidad es mucho ms comple2a!

.n aspecto interesante es que los electrones que intervienen en la

superconductividad se presentan en la forma conocida como pares de $ooper, con

movimiento de rotacin o DspinD en sentidos opuestos! Iambin entran en 2uego

sutiles efectos cunticos!

.na de las ra+ones de la superconductividad sera el movimiento concertado )

ordenado de estos pares de electrones! En un conductor normal los electrones

encuentran dificultades para via2ar debido a la agitacin trmica ) a la distorsin

de la red metlica, pero a mu) ba2as temperaturas, la agitacin trmica

desaparece ) los electrones pueden adaptarse a las distorsiones de la red si

via2an a travs de ella de a pares! $on el descubrimiento de materiales

superconductores a RaltasS temperaturas aparece un factor adicional para la

e*istencia de superconductividad en estos nuevos materialesF su estructura es la

que permite que los electrones puedan seguir via2ando de a pares sin encontrar

obstculo!


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LA TEORIA DE &CS' E(ECTO )EISSNER' E(ECTO *OSEPHSON

LA TEORIA DE &CS.Gues autoresF ohn 6ardeen, eon $ooper ) :obert Gchrieffer!

a teora 6$G e*plica el comportamiento de los materiales superconductores a

temperaturas pr*imas al cero absoluto!

Gegn esta teora cuando determinados materiales se encuentran a esas

temperaturas ) sin que estas varen, los electrones se van a unir en pare2as

formando pares de electrones Rpares de $ooperS que sern los responsables de

transportar la carga elctrica a travs de la red molecular sin presentar resistencia

elctrica alguna!

0 medida que varen esas condiciones en el sentido de adquirir energa, la unin

de una parte de los electrones se rompe pasando a transformarse en energa

cintica ) transformando los electrones que estaban agrupados en pare2as en

electrones libres, mientras que otros continan en forma de pares coe*istiendo

ambas situaciones dentro del material superconductor!

Esta energa se denomina Renerga de gapS ) como se ha dicho est

relacionada con la temperatura!

Esta teora e*plica algunos hechos conocidos hasta ese momento ) que sonF la

e*istencia de una temperatura crtica, igualmente la e*istencia de unadiscontinuidad al pasar al estado superconductor (en este estado su valor es ",'

veces superior al de su valor normal a la temperatura crtica%, el efecto eissner)

el efecto isotpicodescubierto aHos antes, ) segn el cual

Ic ,1PV0


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Es decir, para distintos istopos de un elemento superconductor dado, la

temperatura crtica es inversamente proporcional a la ra+ cuadrada del nmero

msico!

El comportamiento de los materiales cermicos se e*plica mediante eldenominado efecto oseph son!

E(ECTO )EISSNER

En realidad los superconductores se comportan como un diamagntico

perfecto!

$rean un campo magntico opuesto al aplicado ) no permiten que el campo

magntico penetre en su interior! Gi el campo aplicado alcan+a un

determinado valor el superconductor de2a de apantallar el campo magntico ) el

material recobra sus caractersticas anteriores! Esto es lo que se conoce como

efecto eissner!

El flu2o magntico del interior de un superconductor es e*pulsado al e*terior

cuando la temperatura es IWIc, a induccin magntica en el interior de un

superconductor pasa a ser cero cuando IWIc!

El flu2o magntico se e*pulsa al e*terior del superconductor quedando unapequeHa parte en el interior! a longitud de esta penetracin es lo que se

conoce como profundidad de penetracin (X%!$on una densidad de electrones

de

nsT 18"'electrones por cm' obtenemos una profundidad de penetracin XY 188

Z,

0l ir apro*imando escalonadamente la temperatura de una muestra a la

temperatura crtica va disminu)endo el nmero de electrones que se encuentran

en estado superconductor formando pares de $ooper ) aumentando los que

estn en estado normal, es decir desapareados! a densidad de unos ) otros

depende pues de la temperatura!

E(ECTO *OSEPHSON


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El efecto osephson es un efecto fsico que se manifiesta por la aparicin de una

corriente elctrica por efecto tnel entre dos superconductores separados por

una capa de aun medio aislante o un metal no superconductor de algunos

manmetros de espesor! &ebido a la estreche+ de esta capa, los pares de $ooper

) por efecto tnel si van a poder atravesarla guardando adems su coherencia de

fase!

El descubrimiento de osephson consiste en comprobar como una corriente

elctrica distinta de cero puede flu)e de un bloque a otro a travs del aislante sin

que sea preciso que e*ista diferencia de potencial ni campo magntico aplicado

entre uno ) otro!

Ge distinguen dos tipos de efecto oseph son, el efecto oseph son continuo (&!$!oseph son effect% ) el efecto osephsonalterno(0!$! osephson effect%!

El efecto osephson alterno (0$Aosephson% tiene lugar cuando se aplica una

tensin elctrica continua una unin osephson, generndose una corriente

alterna cu)a frecuencia esF fosephsonT " e [ P h, siendo e la carga del

electrn, h la constante de ;lan@ ) [ la tensin aplicada (1 [ produce 4'!


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CAPITULO III

TIPOS + USOS DE )ATERIALES SUPERCONDUCTORES


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os materiales superconductores se clasifican de dos formasF los del tipo - ) los

del tipo --!

os del tipo - no ofrecen resistencia al paso de la corriente hasta el valor crtico,

comportndose como un conductor comn a partir del mismoJ los del tipo -- tienen

una +ona mi*ta donde presentan +onas de superconduccin ) +onas de

conduccin!

TIPO I O SUA,ES.

E*isten diferencias importantes entre los superconductores que permiten

clasificarlos en dos grandes grupos! $iertos metales en particular los que tienen

ba2as temperaturas de fusin ) son mecnicamente suaves ) de fcil obtencin en

un alto grado de pure+a ) libres de esfuer+o mecnicos internos, e*hibenseme2an+as en su comportamiento en el estado superconductor! Estos materiales

superconductores reciben el nombre de superconductores ideales,

superconductores tipo I o su$-es.

Estos materiales e*perimentan una transicin abrupta de la imanacin

diamagntica cuando el campo magntico e*terno be*t supera el campo crtico!

El valor de 6c en este tipo de superconductores es pequeHo (18" gauss% por lo

que no tienen aplicacin tcnica en bobinas para imanes superconductores!

Corriente crtic$.

En estos superconductores la densidad de corriente crtica es un lmite! Gi se

supera ese valor, el estado superconductor desaparece! $omo en este de

superconductores el campo crtico es pequeHo la densidad tambin lo ser! ;o


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esta ra+n los superconductores del tipo - son poco interesantes es f aplicaciones

elctricas!

En esta clase de superconductores se presentan dos clases de corrientes

superficiales, )a que como vivimos estas no pueden circular por el interior delmaterial, la del apantallamiento para e*cluir el flu2o ) el transporte!

TIPO II O DUROS.

Ge describirn las caractersticas de un material superconductor de tipo --, sus

diferencias en los valores crticos con los materiales del tipo -, sus estructurascristalinas ) como se magneti+an ) la diferencia en el ciclo de histresis con

respecto a un conductor normal!

;or otro lado, el comportamiento de muchas aleaciones ) de algunos de los

metales superconductores ms refractarios es comple2o e individual,

particularmente con respecto a la forma como resultan afectados en el estado

superconductor en presencia de un campo magntico! 0 estos superconductores

se les ha dado el nombre de superconductores tipo II'o si la superconductividadse conserva a un ba2o la influencia de campos magnticos intensos, se les conoce

con el nombre de duros o de campo intenso!

E*perimentan una transicin gradual de la imanacin diamagntica desde un

campo crtico inferior 6ps hasta un campo crtico superior 6c"! Es un

comportamiento caracterstico de muchas aleaciones ) metales de transicin (/b,

Ic, [% con valores altos de resistividad en estado normal es decir, en materiales en

nos que el camino libre medio de los electrones en estado normal es pequeHo! ossuperconductores tipo -- tienen propiedades superconductoras hasta 6c" (18

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