Superconductividad
| ||||||
Superconductividad. Capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en determinadas condiciones. La superconductividad es una fase de ciertos materiales que se da normalmente a bajas temperaturas. No obstante no es suficiente con enfriar, también es necesario no exceder una corriente crítica ni un campo magnético crítico para mantener el estado superconductor. Esta propiedad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, cuando observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando se lo enfriaba a 4 Kelvin (-269 °C).
Sumario
Historia
La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, que observó que el mercurio no presentaba resistencia eléctrica por debajo de 4,2 K (-269 °C). El fenómeno no se empezó a entender hasta que, en 1933, los alemanes Karl W. Meissner y R. Ochsenfeld detectaron un acusado diamagnetismo en un superconductor. Sin embargo, los principios físicos de la superconductividad no se comprendieron hasta 1957, cuando los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y por la que sus autores recibieron el Premio Nobel de Física en 1972.
La teoría BCS describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales cerámicos. En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno, conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente
Descripción
La superconductividad es un fenómeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de corriente eléctrica Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos. La superconductividad sólo se manifiesta por debajo de una determinada temperatura crítica Tc y un campo magnético crítico Hc, que dependen del material utilizado. Antes de 1986, el valor más elevado de Tc que se conocía era de 23,2 K (-249,95 °C), en determinados compuestos de niobio-germanio. Para alcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio líquido, un refrigerante caro y poco eficaz.
La necesidad de temperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia global de una máquina con elementos superconductores, por lo que no se consideraba práctico el funcionamiento a gran escala de estas máquinas. Sin embargo, en 1986, los descubrimientos llevados a cabo en varias universidades y centros de investigación comenzaron a cambiar radicalmente la situación. Se descubrió que algunos compuestos cerámicos de óxidos metálicos que contenían lantánidos eran superconductores a temperaturas suficientemente elevadas como para poder usar nitrógeno líquido como refrigerante.
Como el nitrógeno líquido, cuya temperatura es de 77 K (-196 °C), enfría con una eficacia 20 veces mayor que el helio líquido y un precio 10 veces menor, muchas aplicaciones potenciales empezaron a parecer económicamente viables. En 1987 se reveló que la fórmula de uno de estos compuestos superconductores, con una Tc de 94 K (-179 °C), era (Y0,6Ba0,4)2CuO4. Desde entonces se ha demostrado que los lantánidos no son un componente esencial, ya que en 1988 se descubrió un óxido de cobre y talio-bario-calcio con una Tc de 125 K (-148 °C).
Teoría
La teoría microscópica más aceptada para explicar los superconductores se denomina Teoría BCS. La superconductividad se puede explicar como una aplicación del Condensado de Bose-Einstein. El problema es que los electrones son fermiones, por lo que no se les puede aplicar esta teoría directamente. Justamente la idea de la Teoría BCS es que los electrones se aparean formando un par de fermiones que se comporta como un bosón. Esta pareja se denomina par de Cooper y su enlace está justificado en las interacciones de los electrones entre sí mediada por la estructura cristalina del material.
Comportamientos
Comportamiento Eléctrico
La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas 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. 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.
Comportamiento Magnético
Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material superconductor es un diamagnético perfecto. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.
Hay dos tipos de superconductores. Los de Tipo I no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo. Esto conlleva un esfuerzo energético alto, con lo que la mayoría de materiales reales se transforman en el segundo tipo. Los de tipo II son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Alekséyevich Abrikósov.
Cuando a un superconductor 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. Éstos 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. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.
Aplicación
Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas. Aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes.
El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de aplicaciones, entre ellas computadoras más rápidas y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusión nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnéticos, trenes de levitación magnética de alta velocidad y, tal vez lo más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía eléctrica. El Premio Nobel de Física de 1987 se concedió al físico alemán J. Georg Bednorz y al físico suizo K. Alex Mueller por su trabajo sobre la superconductividad a altas temperaturas.
