Categoría: Especial superconductores

¿Os gustó el tren de levitación magnética? ¿A que era espectacular? Es difícil imaginarse materiales con tantas aplicaciones como los superconductores, de hecho el otro día aún nos dejamos algunas en el tintero. ¿Para qué más puede utilizarse un superconductor?

Los SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) son magnetómetros muy sensibles que pueden medir campos magnéticos extremadamente débiles. Por ejemplo, pueden utilizarse para medir la actividad neuronal y la cardíaca, y se utilizan para diagnosticar enfermedades. Los imanes superconductores también se utilizan en medicina para la obtención de imágenes por resonancia mediante una técnica no invasiva.

El alto coste y mantenimiento hace que la fabricación de cables de materiales superconductores para la transmisión de energía no sea rentable. Sin embargo, en algunas megápolis, se han empezado a utilizar en pequeños tramos para evitar el recalentamiento de la red eléctrica y evitar fallos o cortes. Pensemos, por ejemplo en lo que suponen millones de aparatos de aire acondicionado funcionando a la vez durante el verano en una ciudad como Nueva York.

También pueden utilizarse en la limpieza de aguas contaminadas: los campos magnéticos separan las impurezas en su forma ionizada. Al fluir a través de un campo magnético pueden ser apartadas del agua.

Y, por último, se está experimentando en cómo utilizarlos en reactores de fusión nuclear para confinar el plasma. En los distintos ensayos se ha utilizado un imán superconductor, enfriado a -269°C mediante helio líquido, para controlar los movimientos de un plasma con una temperatura de 10 millones de grados que estaba contenido en un compartimiento adyacente. Como podéis imaginar es díficil encontrar un “contenedor” para este tipo de reacción, así que las “botellas magnéticas” pueden ser una solución en el futuro.

Cada día se encuentran nuevas aplicaciones para estos materiales, por lo que es importante investigar cómo mejorar cualidades como el rango de temperaturas críticas, la resistencia o la pureza.

Espero que el especial os haya resultado interesante. ¡Hasta la próxima! Tot ziens!

Relee los cinco artículos del especial:

1. ¿Qué es un superconductor?
2. Resistividad cero
3. Diamagneto perfecto
4. Aplicaciones de los superconductores (I)
5. Más aplicaciones de los superconductores (y II)

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Meissner y Ochsenfeld descubrieron que el flujo de campo magnético desaparecía totalmente en el interior de un superconductor, por lo que se encontraron con un material diamagnético perfecto. Esto quiere decir que un superconductor es repelido por ambos polos de cualquier imán, o sea, que el campo externo del imán induce un dipolo magnético de sentido opuesto. Este fenómeno se conoce como “efecto Meissner”. También hay un valor límite para esta propiedad, por encima de un valor crítico del campo magnético la superconductividad se destruye.

Puede observarse en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos como el estaño y el aluminio, aleaciones metálicas, materiales cerámicos y semiconductores fuertemente dopados. Es curioso que, los mejores conductores conocidos a temperaturas ordinarias como metales nobles (oro, plata) no son superconductores ni siquiera a temperaturas bajísimas. Tampoco los materiales ferromagnéticos muestran esta propiedad. En éstos se observa una resistencia residual incluso cerca del cero absoluto, debido a impurezas, imperfecciones en la estructura…

La cualidad de repeler cualquier campo magnético permite unas extraordinarias aplicaciones de los superconductores que os contaremos en un artículo dentro de poco para cerrar el especial de Electrones sobre superconductividad.

En nuestro segundo artículo del especial sobre superconductores, os explicamos por qué estos materiales, por debajo de su temperatura crítica, tienen resistividad cero a la corriente eléctrica.

La superconductividad es un fenómeno cuántico que se manifiesta en estado macroscópico. La principal teoría que explica este fenómeno sugiere la formación de “Pares de Cooper” : dos electrones de spín y momento opuesto se ven débilmente atraídos a pesar de tener la misma carga. Sí hombre, y esto ¿cómo es posible? pero si cualquier cantamañanas sabe que los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen.

Consideraremos que la red cristalina está formada por iones de carga positiva y que los electrones son un flujo que circula a través de ella. El primer electrón del par pasa a través de la red y, debido a la atracción electrostática que siente por los cationes que forman la red cristalina, se produce una distorsión. Los cationes se sienten atraídos por él y se desplazan de su lugar en la red cristalina. Como su masa es mucho mayor, tardan más en volver a su posición que lo que le cuesta al segundo electrón del par pasar a su lado, por lo que se beneficia del “camino que le va abriendo” el primero.

La importancia de la temperatura radica en que, cuando es alta, las moléculas están excitadas térmicamente y la red vibra, por lo que los electrones no tienen “pista libre” y se producen choques que destruyen la conducción eléctrica, que es lo que sucede en los cables de cobre normales: hay resistencia al paso de corriente. Sin embargo, cuando la temperatura es muy baja, los átomos están fijos en la red y los electrones pueden moverse con mucha más facilidad.

Se han realizado experimentos en los que una corriente eléctrica fluye en una espiral de cable superconductor y puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. En dos años, la corriente eléctrica sólo había disminuido en torno a una cuatrillonésima parte de su valor (10^-24)

^{Si os quedan dudas, preguntados en Formspring, os contestaremos pronto.}

Con éste da comienzo un especial de Electrones sobre superconductividad, uno de los fenómenos físicos más sorprendentes de entre los descubiertos el siglo pasado.

El descubrimiento de la superconductividad se lo debemos al premio Nobel Heike Kamerlingh Onnes, un físico holandés quien, a principios del siglo XX, fue capaz de producir helio líquido, a temperaturas alrededor de 4 kelvin (-269ºC), y realizó experimentos midiendo la caída de resistencia eléctrica del mercurio. Él esperaba una disminución progresiva hasta que desapareciera al llegar al cero absoluto. Sin embargo, observó una caída brusca al alcanzar una temperatura que denominó “crítica”.

Un material superconductor posee dos propiedades características intrínsecas:

• La primera: resistividad cero. Es decir, conduce la corriente eléctrica sin resistencia por debajo de su temperatura crítica.
• La segunda es que, en su interior, el campo magnético es cero. Así que, cuando se aplica un campo magnético, éste es completamente expelido al exterior.

En próximos artículos os contaremos qué sucede exactamente a escala atómica dentro de un material superconductor, qué significa que repela cualquier campo magnético y las aplicaciones que pueden tener estos materiales, que van desde trenes de levitación hasta aceleradores de partículas.