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Transcript
DINÁMICA DE LOS
SUPERCONDUCTORES
Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Daniela Angulo Páez
Cód. 244443
Mayo de 2010
RESUMEN
Los materiales aun siendo buenos conductores ofrecen cierta resistencia al movimiento de
portadores. Es necesario aplicar un campo que aporte la energía necesaria para producir y
mantener la corriente eléctrica.
La superconductividad es un estado en el que algunos materiales, en ciertas condiciones de
temperatura, campos magnéticos e intensidad de corriente eléctrica, tienen resistencia eléctrica
nula y excluyen totalmente el campo magnético, es decir, son diamagnéticos perfectos. Un grupo
de ellos (tipo II), excluyendo parcialmente el campo magnético de su interior en estado
superconductor. En ellos, el campo magnético puede penetrar a través de vórtices formados por
pares de electrones superconductores, que atrapan un cuanto de flujo magnético.
Una técnica macroscópica por excelencia para estudiar el estado superconductor se basa en el
efecto túnel. Toda información relevante sobre las interacciones elementales que dan lugar al
condensado superconductor, así como los aspectos termodinámicos del estado normal, se
obtienen mediante esta herramienta
En 1911, Heike Kamerlingh Onnes descubrió
un
fenómeno
al
cual
denomino
“superconductividad”.
Creía
que
correspondía a la formación de un conductor
perfecto, es decir, un material que oponía
una nula resistencia al paso de la
electricidad. Onnes observó que la
resistencia
eléctrica
del
mercurio
desaparecía al ser enfriado a temperaturas
del helio líquido. La superconductividad se
manifiesta a temperaturas muy bajas por
que las interacciones subyacentes son de
energías muy pequeñas. Este lumbral de
transición al estado conductor se le
denomina temperatura crítica, Tc.1
Animado por su descubrimiento, Onnes
prosiguió con el estudio de otros elementos
de la tabla periódica. Para su sorpresa,
encontró metales que se tornaban
superconductores al ser enfriados. Hoy
sabemos que el fenómeno de la
superconductividad es más común de lo que
Onnes pensó. La plata, el oro y el cobre,
buenos conductores, son superconductores
sólo a temperaturas extraordinariamente
bajas, del orden de 400 a 500 microkelvin. En
cambio el plomo, el estaño, el indio y otros
materiales se vuelven superconductores a
temperaturas superiores.2
nombre de estado Meissner*, en honor a su
descubridor. Desarrollan de manera estricta
ese comportamiento los superconductores
de tipo I.
Figura 1. Superconductor a baja temperatura
En principio, la superconductividad es una
transición de fase. Por calentamiento
suficiente del material, por aplicación de un
campo magnético externo de intensidad
adecuada o por el paso de una densidad de
corriente eléctrica mayor que determinado
valor, el superconductor transita al estado
normal, donde conduce con resistencia. Hoy,
el número de aleaciones, compuestos y
elementos
que
tienen
propiedades
superconductoras es enorme. Diríase que
ahora la pregunta correcta sería inquirir por
qué un material no superconduce. La
superconductividad es un efecto más
extendido de lo que en principio pudiera
pensarse.
El estado superconductor no consiste sólo en
la resistencia nula. La respuesta de un
superconductor a los campos magnéticos
externos se desvía de lo habitual. Un campo
magnético externo aplicado a un material en
estado ordinario penetra completa y
uniformemente en él; no ocurre así en
estado superconductor figura 2. La aplicación
de un campo magnético externo produce
uno de estos dos efectos: o bien el campo
tiene intensidad suficiente para promover la
transición
de
fase,
destruir
la
superconductividad y penetrar en el
material, o bien el superconductor se
protege
del
campo
aplicado
y
automáticamente
aparecen
corrientes
superconductoras internas que apantallan el
campo externo y le impiden entrar en el
material. Esta segunda situación recibe el
Figura 2. Comportamiento magnético de un
material en su Tc (superconductor) y a
temperatura ambiente
En cambio, en los superconductores de tipo
II se da una situación nueva, intermedia
entre el estado Meissner y el normal. Se
trata del estado mixto, también llamado de
vórtices o de Abrikosov† figura 3. Los
superconductores de tipo II abundan en la
naturaleza. Todas las aleaciones y
compuestos, así como los elementos niobio
(Nb) y vanadio (V), son de tipo II.
Figura 3. Estructura de un vórtice superconductor
Cuando el campo magnético aplicado tiene
un valor intermedio entre los valores para los
*
Físico alemán. En 1933 descubrió el efecto Meissner,
la desaparición de todo campo magnético en el interior
de un superconductor
†
Físico Ruso teórico. Contribuyo principalmente en el
campo de la física condensada de la materia. Le
concedieron Premio Nobel de la física en 2003.
que se produce la expulsión completa del
campo magnético del interior del
superconductor y los valores donde el
material transita al estado normal, el
superconductor de tipo II se encuentra en un
estado mixto; en él coexisten zonas en
estado superconductor y zonas en estado
normal. La secuencia sería la siguiente: al
principio, el campo magnético no penetra en
el superconductor (estado Meissner). A
continuación, se alcanza el estado mixto:
para un valor llamado campo magnético
crítico inferior, empieza a penetrar en
algunas zonas del material, mientras otras
permanecen superconductoras (libres, por
tanto, de líneas de campo magnético). Por
último, cuando el campo magnético alcanza
un valor conocido como campo crítico
superior, el material deja de ser
superconductor y pasa al estado normal
Figura 4.
Las zonas no superconductoras del estado
mixto donde penetra el campo magnético
aplicado están delimitadas por vórtices. Estas
corrientes de electrones superconductores
giran alrededor de tubos de líneas de campo
magnético. En el núcleo del vórtice, los
electrones se encuentran en estado normal.
Su diámetro es del orden del parámetro
superconductor
denominado
longitud
coherente, que depende del material de que
se trate y se halla directamente ligado a las
fluctuaciones de la densidad de electrones
superconductores en el material. El vórtice
de supercorrientes apantalla al núcleo y las
líneas del campo magnético que lo
atraviesan, de forma que fuera de él no se
siente su efecto destructor de la
superconductividad. Abrikosov explicó este
comportamiento de una manera muy clara:
en virtud de la relación entre dos longitudes
típicas superconductoras (la longitud
coherente y la longitud de penetración), el
material será o un superconductor de tipo I,
sin estado mixto, o de tipo II, con estado
mixto.
Adviértase que la longitud de penetración es
algo mayor que el “ojo” del vórtice; fuera de
ella, el campo no tarda en anularse.3
Figura 4. Diagrama de fases que representa el
comportamiento de un material superconductor
pata distintos valores de campo magnético (H)
Una técnica macroscópica por excelencia
para estudiar el estado superconductor se
basa en el efecto túnel figura 5. Toda
información
relevante
sobre
las
interacciones elementales que dan lugar al
condensado superconductor, así como los
aspectos termodinámicos del estado normal,
se obtienen mediante esta herramienta.2
El efecto túnel es un proceso que existe en la
naturaleza.
Reviste
una
importancia
fundamental para entender el mundo
microscópico. Merced al mismo, las
partículas macroscópicas se adentran en una
barrera y la traviesan, sin pasar por
posiciones intermedias. Se trata de un
fenómeno puramente cuántico, sin analogías
en la física clásica. En él fundan numerosas
aplicaciones técnicas.
Figura 5. Efecto túnel
El efecto túnel guarda relación con los
procesos en los que intervienen electrones,
otras partículas y átomos. Se describe
mediante la dualidad onda-partícula
característica de los sistemas cuánticos.
Desde el punto de vista histórico, el
fenómeno apareció por primera vez en la
física contemporánea cuando Niels Bohr se
propuso explicar el comportamiento de los
átomos.
En su teoría del átomo de
hidrogeno, Bohr recurrió el efecto túnel para
dar cuenta de los espectros de absorción y
emisión de energía. Para su modelo atómico
se inspiró en un sistema planetario. En el
átomo de Bohr, los electrones giran
alrededor del núcleo, las fuerzas que los
mantienen unidos son de origen eléctrico.
Los electrones permanecen en regiones u
órbitas bien definidas, que se caracterizan
por ciertos “números cuánticos”. (No se
hallan en ninguna otra región fuera de las
posiciones determinadas por esos números).
Para justificar las emisiones y absorciones de
energía, Bohr postuló transiciones de
electrones entre órbitas; una solución
elegante y genial, aunque absurda desde el
punto de vista de la física newtoniana o
clásica. Según Bohr, cuando el átomo
absorbe o emite energía, los electrones
saltan de una órbita a otra, de menor a
mayor energía o viceversa. El excedente
energético se absorbe o emite por medio de
fotones‡. En otras palabras los electrones
desaparecen de una órbita y aparecen en
otra. No transitan ni viajan; simplemente,
desaparecen
y
aparecen.
Lo
más
extraordinario de la concepción d Bohr fue
que explicaba el comportamiento de los
átomos con una precisión extraordinaria. A
este fenómeno se le conoce hoy como efecto
túnel.
El fenómeno de la superconductividad ya
forma parte integrante de nuestras vidas. La
‡
Partícula portadora de todas las formas de radiación
electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los
rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro
electromagnético).
resonancia magnética nuclear no habría
podido desarrollarse sin su ayuda y
constituye un auxiliar indispensable en la
investigación científica y tecnológica. El que
consiga o no convertirse en un producto de
gran consumo depende exclusivamente de
los resultados de la investigación sobre
superconductores a temperatura ambiente.
En cualquier caso, es evidente que estos
materiales supondrán en un futuro
inmediato
un elemento
sumamente
importante en nuestra civilización: la era de
las tecnologías más allá de la resistencia
eléctrica parece encontrarse, en estos
momentos, a la vuelta de la esquina.
“Es necesario señalar que, si existe una diferencia
entre lo que es un superconductor y un
conductor perfecto, se puede decir que, los
únicos conductores perfectos que se han
encontrado hasta ahora en la naturaleza son,
precisamente, los superconductores.”
BIBLIOGRAFÍA
1. El diboruro de magnesio, superconductor a alta
temperatura., PAUL, C, C., SERGEY, L, B., Revista
Investigación y Ciencia Vol. 345., Junio, 2003
2. Efecto túnel en superconductores., ESCUDERO,
R., Revista Investigación y Ciencia Vol. 368.,
Mayo, 2007
3. Vórtices en superconductores., GONZÁLEZ, M,
P., VILLEGAS, J., GONZÁLEZ, M, E., VICENT, J, L.,
Revista Investigación y Ciencia Vol. 369., Junio,
2007
4. Ver con superconductores., IRWIN, K, D.,
Revista Investigación y Ciencia Vol. 364., Enero,
2007
5. Claves de la superconductividad a altas
temperaturas., COLLINS, G, P., Revista
Investigación y Ciencia Vol. 397., Octubre, 2009
6. Fusión de una red bidimensional de vórtices
superconductores., SUDEROW, H., VIEIRA, S.,
Revista Investigación y Ciencia Vol. 404., Mayo,
2010
7. Superconductores. ¿Qué hacer con los
defectos?., PHILIP, Y., Revista Investigación y
Ciencia Vol. 211., Abril, 1994