Superconductor Es

1 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD

6210 ‐ Superconductividad

GLADSTEIN Diego, Padrón Nro.85349

[email protected]

MENANT Nina, Padrón Nro. [email protected]

2ndo. Cuatrimestre de 2009

66.19 – Física del Estado Sólido Facultad de Ingeniera, Universidad de Buenos Aires

Abstract

El descubrimiento de la superconductividad, ha revolucionado la Física Modera y distintas ramas de la industria tecnológica. En este trabajo se han abordado las propiedades de estos materiales, la evolución de las teorías que lo explican, las distintas implementaciones que tienen hoy en día y su potencial desarrollo.

1. Introducción

El fenómeno de superconductividad se descubrió en 1911 por Kammerlingh-Onnes y su alumno Gilles Holst. Encontraron que la resistencia eléctrica del mercurio solido caía a un valor inconmensurablemente pequeño cuando se enfriaba por debajo de cierta temperatura, llamada temperatura crítica Tc. Kammerlingh-Onnes recibió un precio Nobel de física para esta descubierta en 1913.

Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), premio Nobel de física en 1913 por sus estudios sobre superconductividad.

Desde este año numerosos científicos intentaron descubrir el misterio de este fenómeno, que desafía los principios de la física. Durante el siglo XX se ha encontrado que muchos otros elementos y muchos compuestos se hacen superconductores con temperaturas críticas tan altas como 23°K, pero todos los materiales se hacen superconductores.


En 1933, Meissner y Oschnfeld encontraron que cuando se enfría una substancia superconductora por debajo de su temperatura crítica en presencia de un campo magnético aplicado, expulsa todo el flujo magnético de su interior lo que significaba que un superconductor actúa como un material diamagnético perfecto.

Sin ninguna teoría, los investigadores debieron experimentar, quasi al azar, diferentes aleaciones a base de titanio, de strontio, de germanio, y de niobio.

La pregunta de las origines de la superconductividad atormentaba los científicos. En 1935, los hermanos London y en 1950, V. Ginzburg y L. Landau propusieron teorías incompletas pero poderosas.

En 1957, apareció la teoría B.C.S. (de los nombres de sus investigadores: John Bardeen, Leon Cooper y John Schiffre) que describía, en partida, el principio fundamental de la superconductividad.

El año 1986 fue muy importante en la historia de la superconductividad debido a la descubierta por ingenieros de IBM Zúrich (Suiza) de superconductores con temperaturas críticas muy altas, del orden de 34°K a 92°K. Estos descubiertos cuestionan sobre la legitimidad de la teoría B.C.S.

Hoy, los superconductores se instalan en muchos sectores como la electrónica, la medicina y la computación.

2. Las propiedades elementales de los superconductores

2.1. Una Resistencia eléctrica cero en “DC”

Un material superconductor se caracteriza por su resistividad eléctrica cero, aplicarse corriente continua. La misma está queda definida por la Ley de Ohm como:

De esta ecuación se puede observar que el valor de la impedancia R y del Voltaje V son directamente proporcionales. Para hallar su valor, es posible realizar un circuito simple que consta de una fuente de corriente I en serie con un voltímetro y el material en cuestión. Si la medición del voltímetro es nula, significa que la resistencia es cero y la muestra está en el estado de superconductividad.

Sin embargo, un material puede ser superconductor debido a determinadas condiciones externas en las que se lo analice. Para entender cómo se logra llegar a esa “fase superconductiva”, es necesario analizar las distintas interacciones que se producen a nivel subatómico.

Al aplicarse una diferencia de potencial sobre un metal (que tienen cargas eléctricas libres), se produce un movimiento de portadores de cargas, conformando la corriente eléctrica. Al desplazarse por el material los electrones moviéndose a través un pesado entramado iónico van colisionando con impurezas de la red cristalina o con iones que se encuentran vibrando fuera de su posición de equilibrio, disipando energía en forma de calor absorbido por la malla. Como justamente la temperatura corresponde a una medida de las vibraciones


mencionadas, resulta natural esperar que al incrementar la temperatura tengamos un aumento de la resistencia eléctrica como consecuencia de una mayor cantidad de choques, favorecidos por el incremento de las vibraciones de los iones y por lo tanto de las imperfecciones de la red cristalina.

La situación es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, el fluido electrónico no puede ser resulto por electrones individuales. Así que consiste en un par de límites de electrones conocidos como los pares de Cooper. Estos pares son causados por una fuerza atractiva entre electrones desde el intercambio de fotones. Debido a la mecánica cuántica, el espectro de energías del fluido del par de Cooper se apodera de una energía de gap, significando una mínima energía ∆E que debe ser suministrada a fin de excitar el fluido. Es por eso, que si ∆E es mayor a la energía térmica del entramado, dado por kT donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura, el fluido no será aislado por la malla. El par Cooper de fluidos es entonces un superfluido, que puede fluir sin disipar energía.

Analizando la dependencia de la temperatura y la resistencia, podemos concluir que al disminuir la temperatura, se reducirá la resistencia eléctrica. Según el modelo de Sommerfeld, el comportamiento del metal es similar al de los gases de electrones. Se esperaba entonces que al enfriar un material conductor, sus electrones tuvieran comportamientos similares a los observados para los gases, por lo que se esperaba que podría existir una temperatura por debajo de la cual se iban a condensar, formando un líquido de electrones y hasta eventualmente un sólido. De esta manera, los electrones perderían movilidad y esto debería manifestarse como un fuerte incremento en la resistencia eléctrica por debajo de alguna temperatura crítica. Desde entonces se fueron utilizando distintos gases que en

estado líquido podrían enfriar a la muestra a temperaturas cercanas a los 0ºK. El holandés Kamerlingh Onnes logró comprobar la reducción de la resistividad a medida que disminuía la temperatura. En 1911, utilizando helio líquido como refrigerante, notó que a temperaturas cercanas a los 4ºK la resistencia eléctrica de la muestra de mercurio (Hg), se hizo abruptamente cero.

El fenómeno de la superconductividad, para el

caso del mercurio, descubierto por Kamerlingh Onnes en 1911. Por debajo de una temperatura crítica la resistencia del conductor es nula. (De C. Kittel, lntroduction to Solid State Physics.)

Este fenómeno no ocurre en todos los metales. Por ejemplo, en determinados conductores como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen en las condiciones expuestas anteriormente, resistividad no nula.

De esta observación, es posible diseñar espirales de superconductores a las cuales puedan mantener corriente eléctrica sin voltaje aplicado. Experimentos han demostrado que corrientes en espirales superconductoras pueden persistir por años sin ninguna degradación medible. Evidencia experimental, señala un tiempo de vida de la corriente de por lo menos 100.000 años. Estas supercorrientes de electrones que no disipan energía, no


obedecen el “efecto Joule” de pérdida de energía por disipación de calor; creando también un potente campo magnético. 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.

2.2. Fase de transición superconductiva

Un material vuelve superconductor cuando su temperatura es menor a une temperatura crítica Tc, que varía según el material.

De la misma manera, si demasiado corriente atraviesa el superconductor, el material volverá al estado normal aunque está bajo de su temperatura crítica. El corriente crítico Ic es función de la temperatura: más el superconductor es frío, más podrá conducir grandes corrientes.

Una corriente eléctrica atravesando un cable crea un campo magnético alrededor de ese. La fuerza del campo magnético aumenta a medida que el corriente en el cable aumenta. Como los superconductores pueden conducir fuertes corrientes sin pérdida de energía, son muy adaptados para crear fuertes campos magnéticos. Pero si el campo magnético H aumenta hasta un valor dado, el superconductor vuelve a su estado normal de conductividad. Este valor se llama el campo magnético Hc. Para cada superconductor, existe una zona de temperatura y de campo magnético para el cual el material es superconductor. El próximo esquema muestra la relación entre la temperatura y el campo magnético.

2.3. El efecto Meissner

En el inciso anterior fue analizada la respuesta de un superconductor ante la presencia de un campo eléctrico; es momento ahora de desarrollar el efecto producido ante un campo magnético, propiedades y aplicaciones del mismo y las limitaciones del análisis.

Utilizando conceptos de la Física Clásica, es posible pensar que un campo magnético penetra en un conductor; o bien que la circulación de corriente por un conductor produce un campo magnético interno no nulo. Sin embargo, es posible diseñar un dispositivo en el cual el campo interno generado anule al campo exterior, generando un campo resultante cero. Este fenómeno, fue explicado por el físico germano-báltico Lenz que propuso que la


variación de flujo magnético en el tiempo produce una diferencia de potencial, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original.

Sin embargo, en un material superconductor al ser expuesto a un campo magnético externo, el mismo penetra únicamente una pequeña distancia λ, llamada la penetración profunda London, decayendo exponencialmente a cero dentro de la masa del material. Esto es llamado el efecto Meissner y es una característica definida del superconductor.

A diferencia de un conductor, debido al efecto Meissner, un superconductor repele todo campo magnético y no los que están cambiando. Cuando el material es enfriado por debajo de la temperatura crítica, observaríamos la repulsión abrupta del campo magnético interno, el cual no se esperaría basándose en la ley de Lenz’s.

En la figura (a) se observa un material en estado normal al cual se le aplica un campo magnético que penetra en el material. En la figura (b) se observa al mismo material, variando las condiciones externa (Temperatura menor a la crítica y Campo magnético menor al crítico) pasando al estado superconductito. En este estado se observa la presencia del efecto Meissner, en el cual el campo dentro del superconductor es nulo.

Analíticamente, el campo magnético decae exponencialmente desde cualquier valor de la superficie según la siguiente ecuación explicada por los hermanos Fritz y Heinz London, quienes mostraron que la energía

libre electromagnética provista en un superconductor es minimizada por:

donde H es el campo magnético y λ es la penetración London.

Sin embargo, al igual que fue estudiado anteriormente con el campo eléctrico, el efecto desaparece cuando es aplicado un campo magnético grande. Es debido a esta falla, que los superconductores son clasificados en dos grupos. Cabe destacar que los distintos efectos que se producen, depende de la geometría del material. Si la superconductividad es abruptamente destruida cuando el campo aplicado supera un valor crítico Hc, pertenece al grupo denominado Tipo I de superconductores; mientras que si se obtiene una región intermedia en la cual el efecto Meissner no se cumple, pero tampoco desaparece abruptamente, el material pertenece al grupo denominado Tipo II de superconductores. En este grupo, es posible identificar dos valores críticos: Hc1 y Hc2. Al aumentar el campo magnético se distingues tres regiones. La primera que es cuando el campo en menor a H c1 (en donde el comportamiento es el explicado anteriormente debido al efecto Meissner), cuando el campo es mayor que H c2 (en donde desaparece todo efecto superconductivo) y por último, cuando el campo está entre los valores críticos H c1 y H c2. En esta región, el comportamiento diamagnético no es uniformes en todo el material, por lo que éste tendrá algunos sectores superconductores y otros que no lo serán. Suele llamarse a ésta fase como “zona de vórtices” debido a que al penetrar líneas de campo y atravesar el material por sectores normales (no superconductores), se inducirán alrededor de éstos “loops” o vórtices de corrientes superconductoras.


Cuando dos líneas de campo atraviesen el material, las correspondientes zonas no superconductoras se van a repeler, debido a fuerzas de Lorentz, hasta que en el caso ideal se agrupen en un esquema de red, configurándose en general en arreglos triangulares, energéticamente más estables.

2.4. El momento London

La primera teoría fenomenológica que explica el efecto Meissner se basa en la ecuación de London :

donde λL depende de la cantidad ns de electrones (por unidad de volumen, es decir, densidad) que se encuentran en estado superconductor:

La ecuación, desarrollada por los hermanos Fritz y Heinz London en 1935, explica la forma que ha de tener un campo magnético para que se cumplan las condiciones fundamentales que se dan en el efecto Meissner, que son:

1. que el campo magnético sea nulo en el interior del superconductor,

2. que las corrientes eléctricas estén limitadas a la superficie del superconductor, en una capa de un espesor del orden de lo que se conoce como la longitud de penetración λL, siendo nulas en el interior.

Los hermanos London desarrollaron su teoría pensando que los portadores de carga eran electrones, lo cual se vio que era erróneo varias décadas después. Sin embargo, a pesar de este desacierto inicial, los resultados experimentales no se vieron muy afectados debido a que la longitud de penetración es esencialmente la misma en ambos casos:

Magnitud

Idea inicial de los

hermanos London

Idea posterior con pares de Cooper

Carga q -e (carga de un electrón)

-2e

Masa m me (masa de un electrón)

2me

Densidad de partículas en

estado superconductor

ns ns/2

Longitud de penetración λL


El primero en darse cuenta del error fue Lars Onsager en 1953 investigando la cuantización del flujo magnético que pasa por un anillo superconductor: el valor mínimo del flujo le salía exactamente la mitad de lo que debía ser, lo cual está acorde con una carga 2e. Basándose en esta idea Cooper expondría la idea de que los portadores de carga no son en realidad electrones, sino parejas de electrones (conocidas como pares de Cooper), como se explicó con todo detalle en la teoría BCS más tarde.

A continuación, se presenta una tabla con los valores de las variables enunciadas para algunos compuestos simples:

Material Coherence

length (nm)

London penetration

depth (nm)

Ratio

Sn 230 34 0.16

Al 1600 16 0.010

Pb 83 37 0.45

Cd 760 110 0.14

Nb 38 39 1.02 Data attributed to R. Meservey and B. B. Schwartz.

3. La teoría BCS

En 1957, Bardeen, Cooper y Schrieffer propusieron une teoría microscópica detallada, ahora conocida como la teoría BCS, en la cual se incluyen las interacciones electrón-fotón. Las predicciones de la teoría BCS concuerdan muy bien con los resultados experimentales.

Cuando un electrón en un sólido pasa por iones adyacentes en la red, puede actuar sobre estos iones mediante un conjunto de atracciones de Coulomb que dan a cada

uno u impulso que causa que ellos se muevan ligeramente. Debido a las propiedades elásticas de la red, esta región de densidad de carga positiva aumenta y se propaga como una onda que lleva impulso a través de la red. El electrón ha emitido un fonón. El impulsa que lleva el fonón lo ha suministrado el electrón que cambia su impulso cuando emite a aquel. Si un segundo electrón pasa por la región en movimiento de densidad de carga positiva creciente, experimentará una interacción de Coulomb atractiva y así podrá absorber todo el impulso que lleva la región en movimiento. Esto es, el segundo electrón puede absorber al fonón, absorbiendo de esta manera el impulso suministrado por el primer electrón. El efecto neto es que los dos electrones han intercambiado algo de impulso entre ellos y han interactuado de este modo. No obstante que la interacción fue en dos pasos, incluyendo un fonón como un intermediario, ciertamente fue une interacción entre los dos electrones. Además, fue una interacción atractiva ya que el electrón involucrado en cada uno de los pasos participó en una interacción de Coulomb atractiva.

La teoría BCS muestra que, en ciertas condiciones, la atracción entre dos electrones debida a una sucesión de intercambio de fonón puede exceder ligeramente la repulsión que estos ejercen directamente entre sí debido a la interacción de Coulomb (apantallamiento) de sus cargas iguales. Entonces los electrones se verían unidos débilmente y formaran el llamado par de Cooper.

Debido a que los pares de Cooper están ligados débilmente, con frecuencia se rompen para formarse nuevamente, por lo regular con parejas diferentes; por la misma razón, los pares de Cooper son grandes. Por lo tanto, dentro de la región ocupada por los electrones en par existirán muchos otros electrones, que igualmente podrían participar en el proceso de aparamiento. Si ellos pueden hacer esto, el


sistema estará ligado más fuertemente y por lo tanto será más estable.

El aparamiento de electrones en pares de Cooper es favorable porque pone el material en un estado de energía menor. Con este aparamiento, los electrones atraviesan el superconductor fácilmente, con menos colisiones y de manera ordenada.

Este fenómeno es posible solamente a baja temperatura porque los movimientos moleculares, y entonces las vibraciones de la red, están reducidos.

4. Clasificación

A continuación serán enunciados algunos criterios de clasificación de los superconductores, que lejos de ser los únicos patrones de ordenamiento, permiten fijar y sintetizar los conceptos desarrollados en este trabajo.

4.1. Según sus propiedades físicas

Como fue enunciado en el inciso 2.3, es posible diferenciar a los superconductores por el comportamiento ante la presencia de un campo magnético exterior. En los superconductores Tipo I, cuando el campo magnético externo supera el valor crítico, el estado de diamagnetismo se pierde abruptamente; no obstante, en los superconductores Tipo II, se genera un “estado mixto” en el cual el campo magnético no es completamente repelido, generando vórtices magnéticos.

Diagrama de fases H-T de superconductores tipo I y tipo II. Para los superconductores de tipo II se observa la aparición de un estado mixto donde el flujo del campo magnético penetra en el material en forma cuantificada. Los cuantos de flujo, llamados vórtices, bajo ciertas condiciones se ordenan formando estructuras triangulares, así como ocurre con los átomos en una red cristalina.

Ciertos metales, en particular los que tienen ajas temperaturas de fusión y son mecánicamente suaves y de fácil obtención en un alto grado de pureza y libres de esfuerzos mecánicos internos y la mayoría


de los elementos puros, pertenecen a los superconductores del Tipo I o suaves.

Por otro lado, los elementos superconductores compuestos, impuros, muchas aleaciones y algunos metales superconductores más refractarios, son considerados superconductores Tipo II, duros o de campo intenso.

4.2. Según la teoría que lo explica

En el inciso 3, fue desarrollada la teoría BCS la cual explica el fenómeno de la superconductividad con bastante aproximación a los resultados obtenidos. Esta teoría da origen a una nueva forma de clasificación de los superconductores, denominándose convencionales a aquellos que son explicados por esta teoría; mientras que los que responden a cualquier otra teoría, se denominan no convencionales.

4.3. Según el valor de la temperatura crítica

Desde comienzo del siglo XX se empezó a experimentar con materiales con temperaturas cercanas al “cero absoluto” (0ºK), encontrando las propiedades superconductivas expresadas el segundo inciso de este trabajo. Sin embargo, el costo que ocasiona licuar determinados gases como el Helio, provocó que las distintas implementaciones y aplicaciones de los superconductores se demoren hasta finales del siglo pasado. Sin embargo, en la década de los ’80, un grupo de científicos experimentaron con cerámicos, compuestos del Tipo II que alcanzan la fase superconductiva con temperaturas por encima de los 77ºK. Este valor coincide con la temperatura de ebullición del nitrógeno a presión atmosférica. Este descubrimiento es comercialmente importante porque el nitrógeno líquido puede ser producido más barato del aire, y

no es propenso a algunos problemas (por ejemplo conexiones sólidas del aire) de helio en cañerías. Por lo tanto, un semiconductor es considerado como superconductor de alta temperatura (HTSC, High Temperature Superconductors) si su temperatura crítica supera la temperatura de ebullición del Nitrógeno (77ºK); de otro modo, será considerado como superconductor de baja temperatura.

A continuación, a modo de ejemplo, se presentan tres tablas. La primera y la segunda, corresponden a superconductores de baja temperatura con sus respectivos valores críticos (una corresponde a materiales del Tipo I y la otra a materiales del Tipo II); mientras que la tercera contiene compuestos de alta temperatura.

Superconductores de Tipo I de baja temperatura

Mat. Tc

Be 0

Rh 0

W 0.015

Ir 0.1

Lu 0.1

Hf 0.1

Ru 0.5

Os 0.7

Mo 0.92

Zr 0.546

Mat. Tc

Al 1.2

Pa 1.4

Th 1.4

Re 1.4

Tl 2.39

In 3.408

Sn 3.722

Hg 4.153

Ta 4.47

V 5.38


Cd 0.56

U 0.2

Ti 0.39

Zn 0.85

Ga 1.083

La 6.00

Pb 7.193

Tc 7.77

Nb 9.46

Superconductores de Tipo II de baja temperatura

Superconductores de alta temperatura

4.4. Según el material

En las clasificaciones anteriores fueron generadas diferencias en función de alguna determinada propiedad o principio; sin embargo, en esta última clasificación, dividiremos a los superconductores en función de los materiales que están hechos, pudiendo ser elementos puros o químicos (como el mercurio o el plomo), superconductores orgánicos (si están en

forma de fulerenos o nanotubos, lo cual los podría incluir en cierto modo entre los elementos puros, ya que están hechos de carbono), cerámicos (entre las que destacan las del grupo YBCO y el diboruro de magnesio) o aleaciones (como el niobium-titanium o el germanium-niobium).

5. Aplicaciones

Las aplicaciones de los superconductores fueron variando en el tiempo a raíz de los nuevos descubrimientos que se sucedieron. Es posible agrupar a todas las aplicaciones en tres grandes grupos. La producción de grandes campos magnéticos, la fabricación de cables de transmisión de energía y la fabricación de componentes circuitos electrónicos.

A continuación, serán desarrollados y ejemplificados cada uno de estos usos.

5.1. La producción de grandes campos magnéticos.

La primera aplicación que surgió con el descubrimiento de los materiales superconductores fue la construcción de electroimanes. De estos se esperaba que puedan mantener indefinidamente un campo magnético intenso con el único cuidado de alojarlo en el interior de un termo con He líquido, ya que una vez que se lo alimentó con la corriente necesaria, esta no decae aunque se desconecte la fuente, ya que el estado de resistencia nula no la disipa. Sin embargo, los primeros superconductores, los de Tipo I, tenían un Hc bajo perdiendo las propiedades superconductitas abruptamente. Es por eso, que los primeros imanes, se construyeron de niobio, uno de los pocos elementos del Tipo II.


Dentro de la investigación en el campo de la física, también se utilizan electroimanes superconductores para generar campos magnéticos altamente estables, útiles en los estudios de la resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica de alta resolución. Son muy utilizados en las cámaras de burbujas que sirven para la detección de partículas y que requieren campos magnéticos muy intensos.

Actualmente, todos los imanes de alto campo usan aleaciones superconductoras, tales como el niobio-zirconio y el niobio-titanio, con Hc superiores a 100T.

Los imanes superconductores, son algunos de los más poderosos. Ellos son usados en espectómetros de masa, aceleradores de partículas para separaciones magnéticas, donde partículas magnéticas débiles son extraídas de un fondo, como en las industrias de pigmentos. Por otro lado, una aplicación muy útil consiste en el diseño de máquinas eléctricas homopolares basadas en el principio del disco de Faraday. El alto campo magnético disponible hace posible construir motores o generadores de corriente continua que son menores y más fácil de fabricar que las máquinas convencionales de potencia similar. Son particularmente útiles cuando se necesitan grandes corrientes de continua, como en la fundición de aluminio, o bien pares muy grandes de velocidades bajas, como los utilizados para mover grandes bombas en las refinerías de petróleo.

Por último, el campo magnético producido por superconductores, es utilizado para la fabricación de trenes de levitación magnética.

5.1. 1. Los trenes a sustentación magnética

El transporte de levitación magnética o Maglev, es un sistema de transporte que suspende, guía y propulsa vehículos,

principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión usando levitación magnética.

Este método tiene el potencial de ser más rápido, silencioso y suave que los sistemas de transporte colectivo sobre ruedas. La tecnología tiene el potencial de superar 6.400 km/h (4.000 mph) si se despliega en un túnel al vacío. Al no utilizar un túnel al vacío la energía necesaria para la levitación no suele ser de una gran proporción y la mayoría de la energía necesaria se utiliza para superar la resistencia del aire, al igual que con cualquier otro tren de alta velocidad.

La mayor velocidad registrada de un tren maglev es de 581 km/h (361 mph), logrado en Japón en 2003, 6 km/h más rápido que el récord de velocidad del TGV convencional. Esto es más lento que un avión, ya que las aeronaves pueden volar a alturas mucho mayores y la resistencia al aire es menor, por lo tanto las altas velocidades son más fáciles de alcanzar.

Transrapid en Shanghái

Como inconveniente, destaca el alto coste de las líneas, lo que ha limitado su uso comercial. Este alto costo viene derivado de varios factores importantes: el primero y principal es el altísimo costo de la infraestructura necesaria para la vía y el sistema eléctrico, y otro no menos relevante es el alto consumo energético.

Debido a que en la fuerza electromagnética el principal factor de diseño, y del


consumo también, es el peso del tren, esta tecnología no es aplicable hoy al transporte de mercancías, lo cual limita enormemente el uso de la infraestructura.

5.2. La fabricación de cables de transmisión de energía

Aunque éstos ya se manufacturan a partir de los superconductores convencionales (no de los nuevos superconductores cerámicos), actualmente no son competitivos comercialmente con respecto a los cables aéreos normales, a menos de que cubran una gran distancia (de cientos de kilómetros), debido a sus bajas propiedades mecánicas (el cable no es lo suficientemente fuerte). En los casos en que las líneas de transmisión deben ser subterráneas, se solucionaría el problema mecánico mencionado. La ventaja de la implementación de superconductores en líneas de transmisión en resistencia nula (desarrollada en el inciso 2.1 de este trabajo), evitando las pérdidas de energía típicas de los conductores de cobre y aluminio (entre 5 y 8%)

5.3. La fabricación de componentes circuitos electrónicos

Estos dispositivos electrónicos fueron ideados originalmente con la intención de utilizar la transición de estado normal a estado superconductor como un interruptor, mas resultaron decepcionantes con respecto a los logros alcanzados por los transistores de películas delgadas y se ha abandonado su uso en este aspecto.

Cabe mencionar que son de gran interés los dispositivos basados en la utilización del llamado efecto Josephson (que es el efecto de "tunelamiento" conocido por la mecánica cuántica, pero de corriente de superconductividad aún en ausencia de un voltaje aplicado) para la construcción de bloques de SQUIDs (dispositivos

superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros más sensibles hasta ahora conocidos. Los SQUIDs son usados en los microscopios de escaneo SQUIDs. Dependiendo del particular modo de operación, la juntura Josephson puede ser usada como detector de fotones o un mezclador. La gran resistencia cambia en la transmisión desde el normal –a los estados superconductores es usado para construir termómetros en criogénicos micro-calorímetros detectores de fotones. Resultan superiores a otras tecnologías y tienen un gran campo de aplicación que va desde la detección de señales del infrarrojo lejano que provienen del espacio exterior, hasta pequeñísimos campos magnéticos que se producen en el cerebro humano. También la corriente Josephson a voltaje cero depende fuertemente de un campo magnético aplicado, lo que lleva a la posibilidad de tener un interesante interruptor para circuitos lógicos en las computadoras y filtros de microondas para bases de celulares.

Por último, en el 2008 fue descubierto por Valerii Vinokur y Tatyana Baturina que el mismo mecanismo que produce superconductividad puede producir estados superaislantes en determinados materiales, con casi infinita resistencia eléctrica.

6. Conclusión

A lo largo de este trabajo se ha intentado demostrar y justificar las ventajas teóricas que tienen los materiales en estado superconductivo frente a otros con similares características. Cabe destacar que la utilización de la expresión “ventajas teóricas” y no simplemente “ventajas” no fue casual. A los efectos prácticos, este tipo de materiales presentan determinado tipo de problemas en la implementación. El primero de ellos fue la necesidad de utilizar un refrigerante demasiado costoso como el Helio para disminuir la


temperatura del material por debajo de la temperatura mínima; luego fueron las limitaciones de campo magnético para que este no superase el crítico. Hoy en día, como en el ejemplo de líneas de transmisión, presenta dificultades mecánicas y los costos en general de implementación de estos dispositivos es elevado. No obstante, los nuevos materiales descubiertos, principalmente desde finales del siglo pasado a la fecha, han ido solucionando los inconvenientes mencionados.

Por otro lado, la implementación en circuitos electrónicos de alta precisión, genera un constante avance en el desarrollo e investigación, descubriendo así, nuevos usos y propiedades.

Hoy en día, su principal limitación son los altos costos de implementación y manutención. En la medida que se supere este escollo, el potencial de esta nueva tecnología podría revolucionar completamente el mercado tecnológico.

Bibliografía Libros

• Introducción física del estado, sólido Charles Kittel

• Introducción a la electrónica cuántica, Paul Hlawiczka

• Física Cuántica, Robert Eisberg y Robert Resnick

Sitios web

• http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity

• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/hframe.html

• http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/alumnosmateriales0506/MaterialesSuperconductores.pdf

• http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_mod/superconductor.pdf

• http://www.df.uba.ar/users/sgil/labo5_uba/inform/info/pract_especial/Superconductor_uba2k2.pdf

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• http://www.cienciahoy.org.ar/hoy01/superconductividad.htm

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• http://www.rtri.or.jp/rd/maglev/html/english/maglev_frame_E.html

• http://www.fys.uio.no/super/levitation/

Superconductor Es

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