La Superconductividad y Sus Aplicaciones

 

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO  

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA  ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA LA SUPERCONDUCTIVIDAD Y SUS APLICAIONES

Nombre: Huamán Casimiro, José Carlos

 

La Superconductividad y sus Aplicaciones Introducción: El propósito de este ensayo consisten en  poner al alcance al lector sobe la importancia de la superconductividad y tener una idea clara de sus aplicaciones, y como también éste puede impactar en nuestras vidas a diario en sus diferentes y amplias aplicaciones. Empezaremos con una breve historia del superconductor como se descubrió y como se fue desarrollando luego describiremos las propiedades que gobiernas y por ultimo sus ampliaciones hoy en día. Desarrollo: -Origen: El descubrimiento de la superconductividad se remonta a 1908, año en el que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes llegó a enfriar el helio hasta el punto de su licuefacción, a una temperatura próxima al cero absoluto. Esta experiencia le permitió observar fenómenos desconocidos hasta entonces y casi inconcebibles para los científicos de la época: por un lado, la superfluidez y por el otro lado la superconductividad, que Onnes

-Su importancia: La superconductividad es una tecnología en constante desarrollo que está destinada a jugar un importante  papel en nuestras vidas hacia el siglo XXI. Naturalmente el logro de mayores temperaturas críticas está ligado al descubrimiento de nuevos materiales. Se  prevé que el impacto que pueda causar en la sociedad mundial será semejante, sino mayor, al que tuvo la utilización del transistor. Los gobiernos de los países industrializados tienen plena conciencia de la relevancia de invertir importantes sumas de dinero en investigación en esta área, dada la ventaja estratégica y competitiva que puede llegar a brindar el hecho de estar a la vanguardia en la fabricación y utilización de la superconductividad en las diferentes áreas en las que es factible su aplicación,  por lo que cada vez es más clara la competencia existente entre laboratorios, empresas y países.

demostró primera vez en 1911.(Garciapor Gutiérrez, Adrián,pg15.)  Figura2: Superco Superconductor nductor de alta tempera temperatura tura enfriado con nitrógeno líquido levitando sobre imanes  permanentess (TU Dresd  permanente Dresden). en). Foto: He Henry nry Mühlpf Mühlpfordt ordt

-¿Qué es un superconductor? Un superconductor es un metal que  posee dos características principales:

  Conduce



 Figura1: Walter Meissner Meissner,, Otorgado por el instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC

la electricidad sin oponer resistencia por debajo de una cierta temperatura que se denomina temperatura crítica Tc, a diferencia de los metales normales , en los que la

 

resistencia simplemente decae con la temperatura, como se  puede ver a continuación:

Figura3: Resistencia en función de la temperatura de un metal (rojo) y un superconductor (azul)

  Efecto Meissner: cuando se



aplica un campo magnético a un superconductor a una temperatura superior a la temperatura crítica, las líneas de campo magnético lo atraviesan

concepto que explicamos en el artículo Las fuerzas fundamentales y el modelo estándar, tienden a alinearse de tal manera que se oponen en cierta medida al campo aplicado, tal y como expresa la ley de Lenz. Sin embargo, en un diamagnético perfecto no existe ninguna resistencia a la alineación de los spines y el material se opondrá por completo al campo magnético aplicado hasta llegar a contrarrestarlo. Debido a esta propiedad adicional de los superconductores, tanto si los enfriamos primero por debajo de su temperatura crítica y luego aplicamos el campo magnético como si lo hacemos en el orden inverso, se producirá el efecto Meissner y en ambos casos no habrá magnetización remanente al desconectar el campo magnético:

(izqda.), pero si se cuando la temperatura es aplica inferior a la crítica, el superconductor expulsa las líneas de campo magnético (dcha.).

Figura5: Aplicación de un campo magnético y enfriamiento en un superconductor (resistenci (resistencia a eléctrica nula y diamagnético perfecto)

Figura4: Modelo de representación del efecto Meissner

Un superconductor se diferencia de un conductor ideal, con resistencia nula, en que un superconductor además de no tener resistencia eléctrica, también es un diamagnético perfecto. Cuando se aplica un campo magnético externo a un material diamagnético, los spines de los electrones,

Sin embargo, en los conductores ideales solo lograríamos que expulsasen las líneas de campo magnético si se enfrían primero y luego se aplica el campo magnético. En orden inverso no se produciría el efecto y al desconectar el campo permanecería una magnetización remanente en el material:

 

que haya átomos sobrantes) que tenga la red cristalina.

  Figura7: Aplicación de un campo magnético y enfriamiento de un conductor idea (resistencia eléctrica nula)

-¿Cuál es el origen de la superconductividad?

En el estado superconductor, la resistencia es cero aun habiendo estas impurezas, defectos y vibraciones térmicas. Según la teoría BCS de la superconductividad propuesta por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957, este fenómeno es una manifestación de un estado cuántico colectivo en el que los electrones se aparean formando unos  bosones denominados pares de Cooper, que condensan en una función de onda cuántica macroscópica.

Un sólido está formado por átomos que forman una red periódica que  puede tener tener diferente diferentess geometrí geometrías: as: Figura9: Formación de un par de cooper, a la izquierda se muestra al primer electrón y a la derecha, al segundo (Fuente:Atomic andelectronic structure oh solids-Kaxiras)

Figura8:Ejemplos de estructuras cristalinas

En los metales, los átomos permiten que los electrones de la capa de valencia se  puedan mover libremente libremente por el material y la red periódica queda formada por los iones positivos. Dado que los electrones se comportan como ondas que se adaptan a la red periódica cristalina del material, los choques que forman la resistencia del metal en el estado normal son entonces las colisiones de estas ondas electrónicas con las vibraciones térmicas propias de la red iónica, denominadas fonones. Además, contribuyen a la resistencia las colisiones de las ondas electrónicas con las impurezas (donde un átomo de la red se sustituye por otro) y con los defectos (debidos a la ausencia de un átomo o a

Los pares de Cooper se forman fo rman porque cuando un electrón se mueve por el metal, los iones de la red se ven atraídos, ya que éstos tienen cargas positivas y el electrón carga negativa. Como el electrón se mueve mueve más rápido que los iones, la red formada por éstos se estrecha después de que el electrón haya pasado. Cuando un segundo electrón con un momento opuesto pasa por el mismo sitio, pero un instante después, topa con la deformación de la red y se favorece la formación del par del Cooper. Los electrones de un par de Cooper forman una esfera con velocidades opuestas y espines opuestos para cumplir el principio de exclusión de Pauli, ya que aunque el par de Cooper sea un bosón, cada uno de sus dos electrones son fermiones. Los pares de Cooper sin embargo no se rigen por el principio de exclusión de Pauli por ser bosones y se mueven todos a la l a misma

 

velocidad y con la misma fase en el estado colectivo cuántico.

Uno de los grandes logros de la teoría BCS fue la derivación del gap superconductor, que es la energía necesaria para romper un par de Cooper, y está directamente relacionada con la temperatura crítica, lo cual explica por qué a partir de dicha temperatura el material deja de estar en el estado superconductor. -Tipos de superconductores

de campo magnético, formándose vórtices que destruyen la superconductividad a nivel local. Si se sigue aumentando el campo magnético aparecen más y más vórtices, hasta que a un cierto campo crítico HC2 se fusionan destruyendo la superconductividad y el material pasa al estado normal. El estado mixto fue propuesto por Abrikosov en 1956 y más tarde se observaron experimentalmente las redes de vórtices con técnicas como decoración Bitter, Magneto – optical optical imaging, Magnetic Force Microscopy y Scanning Tunneling Microscopy, las cuales explicamos en nuestro artículo Las microscopías de campo cercano.

Figura10Variacion de la magnetización en función del campo magnético para los dos tipos de superconductores

Tipo I El material se comporta como un superconductor, expulsando las líneas de campo magnético, hasta que el campo aplicado sobrepasa un cierto valor denominado campo magnético crítico HC , que varía con la temperatura. A  partir de de este valor la superconductividad se destruye y el material pasa a estar en un estado normal. Tipo II El material está en el estado superconductor, expulsando el campo magnético, hasta un cierto valor denominado campo crítico HC1 . Al sobrepasarse este valor se forma un estado mixto donde el material ya no se comporta como un superconductor  porque se pierde la propiedad del diamagnetismo perfecto, y entran líneas

FIgura11: Visualización de las redes de vortices 2Visualización de las redes de vórtices

La teoría de Abrikosov muestra que el flujo magnético que va a través de los vórtices está cuantizado, constituyendo una prueba experimental de que los electrones están apareados en pares de Cooper, tal y como predice la teoría BCS. Cuando los vórtices se anclan a los defectos del material, el imán que los ha generado se queda levitando encima del superconductor, dando lugar al fenómeno de la levitación magnética.

Aplicaciones La superconductividad es uno de los descubrimientos más fascinantes de la ciencia del siglo xx. Pertenece a la

 

familia de descubrimientos de la física capaces de cambiar la manera de vivir de la humanidad. Su gama de aplicaciones es amplísima, pero abarca esencialmente tres tipos: la generación de campos magnéticos intensos, la fabricación de cables de conducción de energía eléctrica y la electrónica. Transportes: Actualmente el uso de la superconductividad en los transportes es muy limitado, pero se espera que los materiales superconductores tengan un gran impacto en este ámbito. Por una  parte, la posibilidad de construir motores superconductores mucho más pequeños y ligeros que los motores convencionales es una idea muy interesante para la navegación marítima. De hecho, la

eléctrica, un alambre de cobre transmite sólo un valor limitado de la corriente, lo que significa que es difícil obtener un gran par de torsión. Un cable superconductor, por otro lado, puede conducir la electricidad con resistencia cero, lo que permite que una gran densidad de corriente fluya sin pérdidas. Mediante el uso de bobinas de alambre superconductor, un coche superconductor hace que sea mucho más sencillo obtener continuamente grandes  pares y utilizar la energía de la batería de manera eficiente, lo que contribuye al ahorro de energía en comparación con un coche eléctrico convencional. En el ámbito ferroviario los superconductores pueden utilizarse para construir trenes que levitan sobre vías magnéticas. Los superconductores se

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. Esta empresa ha estado llevando a cabo investigaciones sobre las aplicaciones prácticas de la tecnología de los superconductores de alta temperatura  para diversas áreas de la industria. Con este fin, ha desarrollado un cable superconductor a base de bismuto que ofrece el valor más alto del mundo de corriente crítica. Con la intención de demostrar la viabilidad del uso de la superconductividad en los motores de automoción y conseguir que la tecnología superconductora sea conocida ampliamente en las industrias y en la sociedad en general, la empresa Sumitomo realizó varios prototipos de los primeros automóviles eléctricos superconductores del mundo utilizando su tecnología. Un motor de un automóvil eléctrico estándar utiliza bobinas de hilo

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. La levitación magnética es una de las aplicaciones más conocida de los materiales superconductores. Al colocar un material superconductor a temperatura ambiente sobre una configuración de imanes, el campo magnético penetra totalmente en el superconductor. Después de enfriarlo con nitrógeno líquido y alcanzar la temperatura crítica, es decir, el estado superconductor, casi todo el campo magnético permanece dentro del superconductor, es decir, "recuerda" el campo en el que ha sido enfriado y se opone a cualquier variación del mismo. Si en este estado tratamos de alejarlo del

de cobre. Debido a que el cobre se calienta fácilmente por resistencia

imán, encontraremos una fuerza atractiva entre ambos, de manera que el

 

superconductor arrastrará al imán. Si se coloca el superconductor a una cierta altura del imán y lo enfriamos, éste no sólo recordará el campo, sino también la altura en la que se mantendrá levitando mientras esté por debajo de la temperatura crítica. Los sistemas de  propulsión convencionales limitan la seguridad y la velocidad de los trenes. Por este motivo, los trenes que utilizan la levitación magnética son más seguros y  pueden alcanzar altas velocidades. (Centro de investigación y ciencia, Wolsky, Alan M., 1989)

 Figura12: Trenes Trenes de gra grandes ndes velo velocidades cidades

convencionales. 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 en la  producción de este tipo de energía. Actualmente se está trabajando mucho en mejorar el aerogenerador que transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica y así minimizar el  problema de la intermitencia inte rmitencia del viento. De esta forma se busca obtener una mayor eficiencia y potencia. Hasta ahora se ha conseguido aumentar la potencia haciendo molinos cada vez mayores,  pero el manejo de esta infraestructura resulta más complejo. Asimismo, se ha logrado una mayor eficiencia con el uso de generadores de imanes permanentes,  pero el inconveniente de estos generadores es su elevado peso. Además estos imanes se hacen con tierras raras, que son cada vez más escasas. Por otra  parte, el viento es más estable es table en el mar, y para construir parques eólicos en el mar es crucial reducir el tamaño de los molinos.

Los superconductores suponen una gran  promesa para combatir el problema problema de la demanda energética porque nos pueden  permitir generar, generar, conducir conducir y almacenar la electricidad de una forma más eficiente. Una forma de generar energía es convertir energía mecánica en eléctrica, como es el caso de los generadores eólicos e hidráulicos. El uso de imanes  producidos con bobinas superconductoras en estos generadores disminuye su peso y dimensiones, así como las pérdidas mecánicas en la  producción de energías alternativas. Además, el uso de generadores superconductores disminuye la

Los aerogeneradores superconductores han surgido como una medida muy  prometedora para solventar estos  problemas. Por debajo de una temperatura crítica los materiales superconductores no presentan resistencia eléctrica y tienen capacidad  para transportar altas densidades de corriente. Estas propiedades son idóneas  para la generación de campos magnéticos y su uso en motores y generadores. La baja temperatura crítica de gran parte de los superconductores  precisa refrigerar con helio hel io líquido, muy costoso para aplicaciones a gran escala. Sin embargo, con el descubrimiento de materiales que son superconductores a una temperatura superior a la de la ebullición del nitrógeno líquido se ha reducido notablemente el coste del

dependencia de las escasas tierras raras que componen los imanes

sistema de refrigeración criogénico. El aerogenerador superconductor es un 75

Energía:

 

% 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 tres y seis molinos de viento convencionales. El aerogenerador superconductor  presenta además un bajo nivel de ruido. Por todo esto, los aerogeneradores superconductores son una posibilidad muy atractiva para mejorar la optimización de la energía eólica, la  potencia y minimizar la contaminación acústica y visual y la dependencia de las escasas tierras raras necesarias para el aerogenerador convencional. El departamento de energía de Estados Unidos ha invertido millones de dólares en el desarrollo de la nueva generación de los aerogeneradores

que pueden transportar densidades de corriente por encima de dos mil veces lo que transporta un cable de cobre. 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. Esto es de vital importancia ante la creciente saturación de la red eléctrica y los consecuentes apagones. Además no  producen altos campos electromagnéticos en sus proximidades ni efectos térmicos. Por todo esto los cables se pueden enterrar en vías subterráneas ya existentes. Cabe destacar los cables HTS (High Temperature Superconductor), que presentan una solución a la titánica tarea de llevar más electricidad a las áreas densamente  pobladas. Estos cables superconductores

superconductores. Uno de los aspectos clave en la investigación actual se centra en producir cables de estos superconductores de alta temperatura, de gran eficiencia y con precios competitivos. Hoy en día hay varias compañías trabajando en el desarrollo de estos aerogeneradores superconductores.(instituto de ciencias materiales de Madrid,superconductividad,2010)

de alta temperatura se enfrían con nitrógeno líquido para conseguir la  propiedad de la superconductividad. Los Los cables superconductores tienen el  potencial de multiplicar la fuente de electricidad a un área usando el conducto existente de la infraestructura. Los cables HTS ya usados en proyectos reales son capaces de llevar hasta 3 kA de corriente eléctrica. A pesar de estas ventajas, estos cables siguen siendo costosos. (Instituto de investigación de materiales, UNAM, 2004, pg7)

 Figura13: Cables superco superconductore nductoress  suministro de energía, S Shutterstoc hutterstockk

para

el

Material eléctrico:

 Figura14: Materiales Materiales Su Supercondu perconductores ctores

Medicina: Los superconductores permiten conducir la corriente eléctrica sin pérdidas, por lo

 

Gracias al efecto Josephson, los superconductores pueden utilizarse para medir campos magnéticos. Esto se logra mediante un dispositivo llamado SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Es uno de los dispositivos superconductores más utilizados y es el instrumento más sensible que existe para medir una gran cantidad de magnitudes físicas: campos magnéticos, cambios espaciales de campos magnéticos, susceptibilidades magnéticas, voltajes muy pequeños y desplazamientos microscópicos. Existen dos tipos de este dispositivo: el SQUID de corriente directa (cd) y el SQUID de radiofrecuencia (rf). Estos dispositivos  pueden emplearse para medir la actividad neuronal y la cardíaca, así que  pueden utilizarse para diagnosticar enfermedades. Por ejemplo, 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 otro lado, los aparatos de resonancia magnética que se utilizan en pruebas médicas de imagen funcionan gracias a imanes creados con superconductores. Estos dispositivos se utilizan como una herramienta de diagnóstico. Esencialmente, el campo magnético intenso que genera el superconductor estimula que el núcleo de los átomos emita radiación. Esta radiación se usa  para producir la imagen de una sección transversal del cuerpo de un paciente o de sus órganos internos. De hecho, no sólo se obtiene la forma y la densidad de un órgano, sino que esta técnica es capaz cap az de analizar químicamente el tejido que se está revisando. La ventaja obvia de este

 procedimiento es la detección temprana y los diagnósticos precisos de las enfermedades o anormalidades en el tejido humano. humano. (Centro de investigación y ciencia, Giese, Robert F., 1989)

 Figura15: Joinnus - Resonancia Resonancia Magnética Nuclear Cerebro - - 29 de mayo de 2019 en Lima, PE

REFERENCIAS: -revistas/investigacion-y-ciencia/soviticosen-el-espacio-258/aplicac en-el-espac io-258/aplicaciones-futuras-d iones-futuras-deelos-nuevos-superconductores-7679  https://wp.icmm.csic.es/supe https://wp.icmm .csic.es/superconductividad rconductividad /aplicaciones/ http://www.iim.unam.mx/revista/pdf/numer  o02.pdf http://www.inmesol.es/blog/lasuperconductividad-aplicadasuperconductiv idad-aplicada-a-nuestra-vida a-nuestra-vida http://www.fondodeculturaeconomica.co m/subdirectorios_site/libros_electronicos/ desde_la_imprenta/046064R/files/publicat ion.pdf https://www2.coitt.es/res/revistas/04c%2 0Superconductores.pdf https://www.revistaciencias.unam.mx/pt/4 7-revistas/revista-ciencias-88/265superconductores-de-altatemperatura.html4   temperatura.html4 https://nusgrem.es/superconductividadconceptos-basicos-y-aplicaciones/ https://wp.icmm.csic.es/superconductivida d/aplicaciones/