imán levitando sobre un material superconductor

8/19/2019 Imán Levitando Sobre Un Material Superconductor

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Imán levitando sobre un material superconductor. Para experimentar los efectos de la superconductividad

es necesario enfriar la muestra a muy bajas temperaturas.

El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total

de campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica.

ue descubierto por !alter "eissner y #obert $c%senfeld en &'((. )n material superconductor se

convierte en un material diamagnético perfecto, de modo *ue el campo magnético en su interior se anula

completamente. +ado *ue el campo magnético es solenoidal, es decir, todas las líneas de campo son

cerradas, el campo magnético se curva %acia el exterior del material.

a expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos

curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura *ue se

muestra en la figura

Qué es la superconductividad?

a superconductividad es una tecnología en constante desarrollo *ue está destinada a jugar un importante

papel en nuestras vidas %acia el siglo --I. aturalmente el logro de mayores temperaturas críticas estáligado al descubrimiento de nuevos materiales. /e prevé *ue el impacto *ue pueda causar en la sociedadmundial será semejante, sino mayor, al *ue tuvo la utili0ación del transistor.

os gobiernos de los países industriali0ados tienen plena conciencia de la relevancia de invertirimportantes sumas de dinero en investigación en esta área, dada la ventaja estratégica y competitiva *ue

puede llegar a brindar el %ec%o de estar a la vanguardia en la fabricación y utili0ación de lasuperconductividad en las diferentes áreas en las *ue es factible su aplicación, por lo *ue cada ve0 es másclara la competencia existente entre laboratorios, empresas y países.

Generalidades

Concepto

http://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Walter_Meissnerhttp://es.wikipedia.org/wiki/Walter_Meissnerhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Robert_Ochsenfeld&action=edithttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Robert_Ochsenfeld&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/1933http://es.wikipedia.org/wiki/1933http://es.wikipedia.org/wiki/1933http://es.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Solenoidehttp://es.wikipedia.org/wiki/Solenoidehttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Meissner_effect.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Meissner_effect.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividadhttp://es.wikipedia.org/wiki/Walter_Meissnerhttp://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Robert_Ochsenfeld&action=edithttp://es.wikipedia.org/wiki/1933http://es.wikipedia.org/wiki/Diamagnetismohttp://es.wikipedia.org/wiki/Solenoidehttp://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad


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a superconductividad es una propiedad de algunos compuestos *ue no oponen resistencia alguna al pasode corriente ya *ue los electrones se despla0an sin colisiones y en 0ig0ag a través de los cristales delátomo, es decir materiales con resistencia nula con los cuales se puede a%orrar la energía *ue se disipa enforma de calor en los otros conductores, debido a la colisión de los electrones entre sí y con los átomosdel material. 1demás de lo anterior tienen otra característica muy importante *ue consiste en *ueexpulsan de su interior los campos magnéticos mientras estos no sobrepasen un valor límite.

Origen

El descubrimiento de la superconductividad se remonta a &'23, a4o en el *ue el físico %olandés 5ei6e7amerling% $nnes llegó a enfriar el %elio %asta el punto de su licuefacción, a una temperatura próxima alcero absoluto. Esta experiencia le permitió observar fenómenos desconocidos %asta entonces y casiinconcebibles para los científicos de la época8 por un lado, la superfluide0 y por el otro lado lasuperconductividad, *ue $nnes demostró por primera ve0 en &'&&.

Para lograr estas bajas temperaturas es necesario poner las muestras en contacto con %elio lí*uido,elemento difícil de obtener y *ue re*uiere de procesos complicados y costosos para mantenerlo en su faselí*uida. +esde entonces se inicio una b9s*ueda ininterrumpida para alcan0ar aleaciones *ue alcan0aran lafase superconductora a temperaturas más elevadas.

a curiosidad *ue $nnes sentía %acia el comportamiento de la materia a bajas temperaturas lo condujo aldescubrimiento de la superconductividad experimentando con el mercurio, siendo posible por*ue %abíaconseguido la licuación del %elio *ue permitió enfriar los materiales a temperaturas próximas al ceroabsoluto :;?@.

Puesto *ue el %elio lí*uido es el mejor método *ue se conoce de refrigerar a temperaturasextremadamente bajas, la superconductividad podría verse obligada a esperar el desarrollo de nuevosmateriales con temperaturas críticas mas altas para poder ofrecer beneficios fuera del entorno de unlaboratorio.

1lgunos científicos *ue trabajaban con superconductores similares a los empleados por $nnes, intentaron

subir ligeramente la temperatura crítica me0clando compuestos para formar aleaciones superconductoras.5acia &'(( la temperatura crítica fue duplicada a &2>7 :a9n muy baja@.

El proceso fue lento y frustrante %asta &'A& cuando se encontraron aleaciones de niobio *ue se volvíansuperconductoras a &B>7. o fue %asta &'C' cuando la temperatura crítica volvió a duplicarsenuevamente, alcan0ando los 7. Este avance fue muy importante, puesto *ue el %idrógeno se lic9a a7. Por primera ve0 podía utili0arse otro agente refrigerador.

5acia &'=&, los mejores superconductores eran aleaciones de niobio;aluminio y niobio;germanio *uealcan0aban esta fase. En &'=< se concedió el Premio óbel de ísica a D. ardeen, .. ?ooper y D.#./c%riffer por sus trabajos reali0ados a finales de la década de los a4os cincuenta, *ue daban cuenta delorigen microscópico de la superconductividad.

En &'=(, la temperatura crítica subió unos pocos grados más, a 7. +urante aproximadamente unadécada, los científicos intentaron aumentar la temperatura crítica. Experimentaron sin éxito con muc%oscompuestos y aleaciones.

inalmente en &'3C dos investigadores de I" en Furic% anunciaron %aber conseguido subir latemperatura crítica a (2>7 en un material completamente nuevo. os nuevos materiales superconductores*ue no son aleaciones metálicas sino cerámicas %ec%as a base de óxido de cobre me0clados con bario oestroncio y alguno de los elementos conocidos como tierras raras :lantano, itrio y neodimio@. 1lex "Gllery Heorg ednor0 %abían sinteti0ado un complejo material cerámico :aa?u$@ *ue presentabasuperconductividad a (2>7. Este extraordinario descubrimiento impulsó a muc%os investigadores atrabajar con materiales cerámicos similares. )nos meses después la temperatura crítica fue aumentada a('>7.


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En febrero de &'3= ?%ing;!u :Paul@ ?%u y su e*uipo de investigación de la )niversidad de 5oustonanunciaron %aber desarrollado un superconductor con una temperatura de '3>7 :"e0cla de óxido decobre, bario e itrio :a?u$@. Este descubrimiento causó un gran impacto en la comunidad científicamundial, pues la barrera impuesta por la necesidad de utili0ar %elio lí*uido %abía sido traspasada. Elnitrógeno se lic9a a ==>7, una temperatura bastante inferior a la temperatura crítica alcan0ada. Elnitrógeno lí*uido es fácil de transportar en termos aislados, es muy barato, abundante y fácil de enfriar a

diferencia del proceso con %elio lí*uido es costoso.

En &'33 el óxido de cobre, calcio, bario y talio :Jla?a?u$@ alcan0ó una temperatura crítica de &7.as investigaciones efectuadas en el laboratorio de la Escuela /uperior de ísica y Kuímica Industrial deParís en mayo de &''(, trabajando con películas de óxido mixto de cobre, calcio, bario y mercurio:5ga?a?u$@ lograron una temperatura crítica de &((>7. Este mismo e*uipo logró en diciembre de&''( una temperatura crítica de 7 a partir de un compuesto de bismuto, estroncio, calcio y óxido decobre :i/r?a?u$@.

os compuestos *ue %an originado los sorprendentes adelantos en materia de superconductividad sontodos cupratos de la familia de las perovs6itas de cobre, es decir, cristales constituidos por el apilamiento,en todas las direcciones del espacio, de octaedros *ue contienen en su centro un átomo metálico, el cobre,con átomos de oxígeno en los vérticesL los espacios entre los octaedros están ocupados por otro átomo

metálico.

/in embargo, la carrera de la temperatura crítica a9n no %a terminado. os científicos sue4an consuperconductores a temperatura ambiente, *ue no necesiten refrigerarse, la cual está en torno a los


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Jomando como criterio la capacidad de un superconductor para repeler un campo o flujo magnético, es posible clasificar los superconductores en dos tipos. os superconductores de tipo I son simples metales puros, tales como el plomo o el esta4o. Estos repelen el campo magnético %asta *ue alcan0a unadeterminada intensidad. Esta intensidad se denomina campo crítico, y es distinto para cadasuperconductor. )na ve0 *ue el campo magnético %a alcan0ado su valor crítico, el superconductor vuelvea su estado normal perdiendo sus propiedades.

os superconductores de tipo II se comportan de una forma ligeramente distinta. Estos superconductoresson materiales más complejos, a menudo aleaciones de metales de transición :los metales de transiciónson un grupo de elementos del /istema Periódico@. En un superconductor tipo II, existe un segundocampo crítico más intenso *ue el primero. )na ve0 *ue el campo magnético %a alcan0ado su primer valorcrítico, el superconductor ya no repele completamente el campo, pero sigue conduciendo sin ofrecerresistencia. ?uando el campo alcan0a un segundo valor crítico, el material presenta resistencia eléctrica.a mayoría de los superconductores de interés actual son de tipo II.

La densidad de corriente

1plicar un campo magnético intenso no es la 9nica manera de destruir la superconductividad, una ve0 *ueel material %a sido refrigerado por debajo de su temperatura crítica. El paso de una corriente intensa através de un superconductor también puede %acer *ue éste pierda sus propiedades. a cantidad decorriente *ue un superconductor puede soportar manteniendo nula su resistencia se denomina densidad decorriente, la cual se mide en amperios por unidad de área. )n valor típico de la densidad de corriente enun %ilo superconductor es de &22.222 amperios por centímetro cuadrado. /i pasara una corriente másdensa por el %ilo, éste ofrecería resistencia.

a mayor parte de los conductores normales, como el cobre, son isótropos, es decir, conducen la corrientecon igual facilidad en todas las direcciones. ?on un %ilo conductor ó superconductor *ue se isótropo noimporta cuál de los extremos del %ilo se conecta al terminal positivo de la fuente eléctrica y cuál alnegativo. /in embargo, muc%os de los superconductores de alta temperatura son anisótropos, es decir,conducen mejor en unas direcciones *ue en otras. 1lgunos de estos materiales son capaces de conducir lacorriente en una dirección a una velocidad (2 veces superior *ue en otra.

El efecto Josephson

$tra propiedad interesante de los superconductores es el efecto Dosep%son, *ue está basado en otrofenómeno *ue recibe el nombre de efecto t9nel. En una unión formada por una delgada barrera de óxidocolocada entre dos superconductores, se puede producir efecto t9nel. as caras externas de los dossuperconductores se unen entre sí y se mide la corriente *ue pasa a través de la unión. ?uando la unión seexpone a campos magnéticos o radiación, el flujo de corriente debido a *ue algunos electrones atraviesanla barrera de óxido :efecto t9nel@. Este efecto puede emplearse en circuitos de computadores, y paradetectar campos magnéticos muy débiles. Estudios muy recientes %an demostrado *ue el efecto Dosep%son

puede producirse a temperaturas muy superiores a las temperaturas críticas del material superconductor.

Jodas estas propiedades de los superconductores abren muc%as puertas al desarrollo tecnológico, puesmuc%os dispositivos actuales pueden ser mejorados en eficiencia, sensibilidad y rapide0. +e otra parte,aplicaciones antes irreali0ables son a%ora factibles gracias a la superconductividad.

Teoras !ue e"plican la superconductividad

+esde el descubrimiento de la superconductividad los científicos %an intentado explicar elfuncionamiento de los superconductores, pues la elaboración de una teoría *ue desvele los misterios de lasuperconductividad podría permitirles desarrollar nuevos y mejores superconductores y aprender másacerca de su comportamiento.

19n no existe una explicación ampliamente aceptada de por *ué se produce superconductividad a altatemperatura. Para las antiguas generaciones de superconductores con temperaturas críticas próximas al

?ero 1bsoluto, basta la teoría ?/. /in embargo, es preciso encontrar una nueva teoría para los nuevosmateriales *ue tenga en cuenta su importante actividad atómica. Es dudoso *ue se acepte a corto pla0o


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una teoría completa de la superconductividad, puesto *ue existen superconductores con temperaturascríticas a9n más altas *ue están en fase de experimentación. /in embargo existen las siguientes8

Teora #C$

En &'B= tres investigadores, Do%n ardeen, eon ?ooper y D.#. /c%rieffer, publicaron una teoría *ue

intentaba explicar como funcionan los superconductores. Esta teoría recibió el nombre de teoría ?/, ylos tres investigadores fueron galardonados por su trabajo.

o se debe olvidar *ue en &'B= aun no existían los superconductores de alta temperatura *ue %oy se estándesarrollando. a teoría ?/ intenta explicar la superconductividad a temperaturas próximas al ?ero1bsoluto. ?uando los materiales se refrigeran a estas temperaturas, el movimiento de sus átomos sereduce dramáticamente.

a teoría ?/ afirma *ue los electrones *ue fluyen a través de un superconductor se agrupan en paresdebido a los fonones :Partículas asociadas a las vibraciones de la red cristalina@, *ue crean una especie de

pegamento subatómico. El par de electrones deja una estela al moverse a través de la red cristalina. Estaestela es aprovec%ada por los pares siguientes como camino a través de la red cristalina, evitando

colisiones con otras partículas, lo *ue obstaculi0aría el flujo y generaría resistencia eléctrica :como ocurrecon los conductores normales@.

a teoría ?/ supone *ue la actividad molecular de los átomos en la estructura cristalina delsuperconductor es muy reducida, cuando explica como los electrones pueden fluir a través de la red sininterferir con otras partículas. Esta teoría también explica por *ue el superconductor pierde su capacidadde conducir sin resistencia cuando se encuentra a una temperatura superior a su temperatura critica. /eg9nla teoría ?/, a medida *ue sube la temperatura del material superconductor, aumentan las vibraciones delos átomos, *ue se traducen en vibraciones cada ve0 mayores de toda la red cristalina. Esta vibraciónexcesiva provoca la ruptura del par de electrones, interrumpiéndose la estela del fonón, y causando la

perdida de la superconductividad.

a magnitud de las vibraciones de la red esta relacionada directamente con la temperatura. El ?ero

1bsoluto es el punto al cual desaparecen todas las vibraciones. Por tanto, es imposible alcan0ar unatemperatura mas baja, y de a%í el nombre de N?ero 1bsolutoN. 1 medida *ue sube la temperatura porencima del ?ero 1bsoluto, la magnitud de las vibraciones aumenta sistemáticamente. a temperatura *uetiene un material es justamente una medida del movimiento de sus átomos.

El punto de fusión de un material :como por ejemplo el %ilo@ es simplemente la temperatura de transicióna la cual las vibraciones son tan fuertes, *ue las fuer0as de co%esión de la estructura cristalina no son losuficientemente grandes para mantener los átomos en las posiciones *ue ocupan en la red, *uedando estoslibres para despla0arse.

?omo resultado, un sólido rígido :%ielo en el caso del agua@ se convierte en un li*uido. /i la temperaturasigue subiendo, se alcan0a otra temperatura de transición en la *ue el movimiento atómico es tan grande

*ue las fuer0as de atracción existentes en el li*uido no pueden mantener a los átomos juntos. En esemomento el material se convierte en un gas.

+ebido a *ue los nuevos superconductores tienen temperaturas criticas bastante superiores al ?ero1bsoluto, parece ser *ue la teoría ?/ no explica por *ue se produce superconductividad en estos nuevosmateriales. as temperaturas criticas son demasiado altas para poder suponer vibraciones reducidas, comoocurre en los antiguos superconductores. 1un así, la mayor parte de los teóricos creen *ue los electronesen los superconductores de alta temperatura fluyen emparejados.

Teora funda%entada en el e"cit&n

+ebido a *ue resulta bastante difícil encontrar una ra0ón *ue expli*ue el emparejamiento de loselectrones en los nuevos superconductores de alta temperatura, las teorías actuales atribuyen elemparejamiento de los electrones a un mecanismo muc%o mas poderoso *ue el fonón de la teoría ?/.


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+ic%o mecanismo es el excitón. El excitón, de Nelectronic excitationN, es un mecanismo de interacciónmas fuerte *ue los fonones y puede continuar operando a temperaturas mas altas.

?uando los nuevos superconductores de alta temperatura son enfriados a su temperatura critica, lasvibraciones de la estructura cristalina se sincroni0an de tal manera *ue los electrones son guiados a travésde la red.

Teora funda%entada en los plas%ones

1tribuye el emparejamiento de electrones a altas temperaturas al mecanismo derivado de movimientoscolectivos de electrones :plasmones@.

Teora funda%entada en los %agnones

1tribuye a los magnones, fluctuaciones de spin, *ue se propagan a través de la red y *ue crean unaespecie de camino *ue los electrones pueden seguir sin sufrir obstáculos.

Teora '(#

)tili0a el concepto de enlace de valencia resonante y se basa en la repulsión electrón;electrón8 a causa de*ue los electrones tienen la misma carga se repelen entre sí, %aciendo *ue se prepare ellos mismos su

propio camino a través de la red.

Estado del arte

)a*ricaci&n + for%as de los superconductores actuales

El desarrollo de los superconductores de alta temperatura es tan reciente, *ue a9n no %an sido adaptadossatisfactoriamente a la industria. Por ello la inmensa mayoría de las aplicaciones comerciales actualesestán basadas en los antiguos superconductores.

1ctualmente la mayor parte de las aplicaciones de los superconductores a la industria utili0an sucapacidad de conducir corriente sin resistencia. Para *ue un superconductor sea práctico debe serresistente, de gran fiabilidad y fácilmente maleable. Existen dos grandes tipos de superconductorescomerciales8 las aleaciones d9ctiles y los compuestos intermetálicos.

as aleaciones d9ctiles comparten con los conductores la ventaja de *ue son fáciles de darles la forma de%ilos y cables, y de *ue son relativamente maleables. os compuestos intermetálicos con muc%o másrígidos y aun*ue se les puede dar formas en el proceso de fabricación, no son flexibles. as aleacionesd9ctiles superconductoras son compuestos de niobio y titanio. os compuestos intermetálicos sesinteti0an con vanadio y galio.

os superconductores comerciales se suelen fabricar en forma de %ilos, de manera *ue se puedan %acer bovinados para construir generadores, motores y electroimanes. Estos materiales tienen temperaturascríticas del orden de &2>7. Pueden generar campos magnéticos muy potentes y tienen densidades decorriente próximas a los ?elsius. Posteriormente, la me0cla ya caliente se mete en un %orno, donde se cuece a unos 322>?, con

lo *ue se vapori0an los componentes lí*uidos, cristali0ando el material restante en forma de polvosnegros. El polvo es comprimido en un %orno especial *ue genera aproximadamente &B2 7g. por cm.< de


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presión. El blo*ue resultante se enfría gradualmente durante varias %oras. )na ve0 enfriado, el material sesumerge en un ba4o de nitrógeno lí*uido para probar la superconductividad. /e conecta un medidor deresistencia al material refrigerado para medir su resistencia eléctrica. /i el medidor no registra resistencia,

probablemente se %abrá conseguido superconductividad. /i además el material presenta efecto "eissner,entonces es un auténtico superconductor.

+espués de %aber desarrollado y probado los nuevos materiales, los laboratorios están intentando darlesformas 9tiles. )n blo*ue amorfo de superconductor no tiene interés práctico. Para poder dise4ardispositivos 9tiles, es necesario fabricar el material en %ilos, cintas y otras formas.

,sos actuales de la superconductividad

a ciencia y la medicina se %an beneficiado ya de las ventajas aportadas por la superconductividad paragenerar campos magnéticos intensos y detectar se4ales magnéticas débiles.

os físicos llevan muc%o tiempo utili0ando electroimanes superconductores para generar camposmagnéticos de alta intensidad. Estos potentes electroimanes superconductores se %an empleado como

parte de un colisionador para acelerar partículas atómicas a velocidades extremas, para después %acerlas

colisionar. El estudio de los efectos producidos proporciona a los científicos valiosos datos sobre lanaturale0a de las partículas implicadas en la colisión. )n superacelerador conocido como //?:/upercolisionador /uperconductor@ será


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)nos investigadores de I" %an ideado un vapori0ador de superconductores con el cual pueden cubrir:pintar@ superficies complejas y de gran tama4o. Esta técnica aumenta la perspectiva de %acer 9til, fácil yeconómicamente, confinamiento magnético, cableado de computadores y otras aplicaciones. "edianteuna técnica industrial llamada vapori0ación de plasma, el superconductor puede se rápidamente calentadoa miles de grados ?elsius y depositado en una superficie cual*uiera, en la *ue posteriormente seresolidifica. +espués de la formación de la capa la superficie es recocida, obteniéndose un recubrimiento

*ue se %ace superconductor al refrigerarse.

Principales e%presas + la*oratorios !ue tra*aan en superconductividad

En los Estados )nidos8

1rgonne ational aboratory ; 1rgonne, Illinois.

1JJ ell aboratories ; /%ort 5ills, eQ Dersey.

1merican /uperconductor ?orporation ; oston, "1.

lomagnetic Jec%nologies ; /an +iego, ?alifornia.

?onductis ; Palo 1lto, ?alifornia.

H1 Jec%nologies ; /an +iego, ?alifornia.

Heneral +ynamics ; /an +iego, ?alifornia.

Heneral Electric "edical /ystems Hroup ; "ilQau6ee, !I.

Heneral Electric #esearc% and +evelopment ?enter ; /c%enectady, eQ or6.

5P#E/ Inc. ; Elmsford, eQ or6.

I" #esearc% +ivision ; or6toQn 5eig%ts, eQ or6.

Intermagnetics Heneral ?orporation ; Huilderland, eQ or6.

"onolit%ics /uperconductors Inc. ; eaverton, $regon.

/upercon Inc. ; /%reQsbury, "1.

/uperconductor Jec%nology Inc. ; /anta árbara, ?alifornia.

J#! ; #edondo eac%, ?alifornia.

!esting%ouse ; Pittsburg%, P1.

En el Dapón8

ujitsu.

5itac%i.

"itsubis%i Electric.

ippon Jelegrap% and Jelep%one.


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Jos%iba

En Inglaterra8

$xford Instruments Hroup.

En 1lemania8

/iemens.

Panora%a internacional actual

a competición entre países está estimulada por las ventajas económicas *ue promete la industria desuperconductores de alta temperatura y se plantea en especial una fuerte rivalidad entre Estados )nidos yDapón por la supremacía en el desarrollo de este campo.

Dapón tiene un extenso plan de investigación y desarrollo para la explotación de la tecnología desuperconductores, gracias al esfuer0o del gobierno, la industria e investigadores universitarios. asmedidas tomadas se asemejan a las tomadas en electrónica de circuitos integrados y *ue los llevó a ocupar el primer lugar a nivel mundial.

Entre los proyectos se pueden mencionar los de magneto%idrodinámica y trenes "agev :trenes delevitación magnética@. +iferentes empresas están desarrollando computadores basados en unionesDosep%son, mientras otras fabrican %ilos y cables superconductores.

En Estados )nidos se encuentran también empresas *ue llevan alg9n tiempo desarrollando %ilos, cables,dispositivos y electroimanes superconductores, además de m9ltiples estudios de nuevas aplicaciones en elárea de la electrónica.

?omo en el caso de los semiconductores, a%ora, los superconductores pueden convertirse en un factor

discordante entre Estados )nidos y Dapón *ue son los países *ue llevan la delantera en esta tecnología, por lo *ue algunos científicos plantean la necesidad de tratarla como un bien para toda la %umanidad yteniendo en cuenta *ue el mundo económico se encuentra estrec%amente interconectado buscar laresolución de las dificultades *ue se plantean de manera conjunta.

1lgunos científicos y legisladores estadounidenses piensan *ue los adelantos conseguidos ensuperconductividad se pueden perder en beneficio de los japoneses y ven en los superconductores unaoportunidad de recuperar el terreno perdido en la industria de circuitos integrados, por lo *ue intentandesarrollar estrategias *ue les permita competir con mas eficiencia, para conseguir la supremacíatecnológica del próximo siglo. El plan para fomentar el desarrollo de aplicaciones de lasuperconductividad incluye los siguientes puntos8

1umentar los presupuestos para investigación del departamento de +efensa.

$frecer subvenciones para aplicaciones comerciales.

/uavi0ar las leyes anticréditos para facilitar los acuerdos de investigación.

Establecer leyes de patentes estrictas.

#etrasar la publicación de información científica de interés.

En segundo lugar a nivel mundial en esta área se encuentra la ?omunidad Europea, en cuyos países:Inglaterra, rancia y 1lemania en especial@ también se invierte cifras significativas en investigación. /in

embargo, presentan cierto re0ago con respecto a Dapón y Estados )nidos. 1ctualmente se calcula *ue elmercado mundial de superconductores esta alrededor de los )/R


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os países antes citados no son los 9nicos interesados en la investigación de superconductores. El ational P%ysics aboratory de ueva +el%i %a sinteti0ado un material parcialmente superconductor a7, temperatura ambiente. En Pe6ín se %an conseguido algunos avances de interés. Jo6yo %a sido elorigen de muc%os descubrimientos importantes en superconductividad.

Prospectiva tecnol&gica

a superconductividad es una tecnología *ue está cambiando constantemente con la posibilidad denuevos avances y descubrimientos. os ingenieros intentan orientar la tecnología actual desuperconductores %acia aplicaciones 9tiles y las empresas buscan los beneficios comerciales *ue de éstasse pudieran obtener. ?onsiderándola como una ciencia destinada a jugar un papel importante en la altatecnología del siglo --I. ?ada ve0 se acent9a más la competición de los gobiernos de los países másindustriali0ados, toman medidas para no *uedarse atrás en el rápido crecimiento de está tecnología.

Para el a4o


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para ir de un punto del circuito a otro. Esto permitiría construir dispositivos más rápidos y complejos *ueocupasen además menos volumen.

$tra aplicación de la superconductividad *ue %a causado gran impacto en la electrónica es la uniónDosep%son, la cuales podrían sustituir con éxito al transistor como unidad de conmutación encomputadores de alta velocidad.

?on uniones Dosep%son, podría construirse un computador muc%o más potente *ue cual*uiera de lossupercomputadores *ue existen en la actualidad y con un volumen muc%o menor.

En ciencia + %edicina

)n uso de los electroimanes superconductores en el laboratorio sería para la construcción de NbotellasmagnéticasN capaces de contener una reacción de fusión. En una reacción de fusión se combinan átomosentre sí, liberándose energía :el mismo método *ue emplean las estrellas@. os reactores de fisión nuclearutili0ados en la actualidad descomponen los átomos para generar energía, dejando residuos radiactivos.os reactores de fusión no son residuales, sin embargo, las reacciones de fusión son tan violentas ydesprenden tanto calor *ue a9n no se conoce ning9n material capa0 de contenerla. os físicos confían en

*ue los futuros imanes superconductores podrán generar campos magnéticos capaces de confinar estasreacciones.

En medicina la superconductividad sería 9til para el mejoramiento en la construcción de e*uipos degeneración de imágenes a partir de resonancia magnética.

En transporte

a superconductividad puede afectar a los medios de transporte de muc%as formas. /e podrían emplearcompactos electroimanes superconductores para %acer levitar a los trenes por encima de sus raíces. Estostrenes "agev :levitados magnéticamente@ podrían flotar en un campo magnético mientras sonimpulsados a velocidades dos veces superiores a las de cual*uier tren existente en la actualidad.Eficientes motores superconductores podrían crear una nueva gama de ve%ículos, barcos y submarinoseléctricos.

En defensa

os militares orientan sus investigaciones %acia distintos aspectos de la superconductividad. an0aderasde mísiles con guías superconductoras podrían sustituir a los proyectiles explosivos, y motoressuperconductores permitirían a los submarinos operar muc%o más silenciosamente, %aciendo mas difícilsu detección. Jambién podrían mejorarse las prestaciones de todo tipo de detectores, %aciéndolos mássensibles en rangos de operación más amplios.

Lneas de /nvestigaci&n

Esfuer0os por subir la temperatura crítica de los diferentes materiales.

1lgunos laboratorios *ue %an anunciado superconductores a temperatura ambiente en 0onas muylocali0adas de los materiales intentan aislar y caracteri0ar las 0onas superconductoras de estos con laintención de crear un material uniforme.

/e intenta aumentar la densidad de corriente con la intención de emplearlos en aplicaciones de alta potencia.

/e esta investigando para superar las limitaciones *ue presentan los actuales superconductores de altatemperatura por sus propiedades mecánicas, ya *ue se trata de compuestos cerámicos bastante duros lo*ue dificulta su manufacturado de maneras 9tiles, como %ilos, cintas, y películas delgadas.


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El gobierno de Estados )nidos esta subvencionando distintos proyectos de investigación en nuevasaplicaciones practicas de los superconductores.

En Estados )nidos el departamento de uevas ?iencias y Jecnologías investiga para usar lasuperconductividad para mejorar los censores infrarrojos especiales de detección de mísiles. Jambién estáinteresado en un sistema de almacenamiento de energía en grandes cantidades para los sistemas de láseres

terrestres de gran potencia.

El departamento de Energía de los Estados )nidos :+$E@ trabaja en el desarrollo de %ilossuperconductores, ya tiene una base de datos especiali0ada para el uso de los científicos estadounidenses.

os s9per conductores son materiales *ue pierden su resistencia eléctrica al paso de la corriente. Porejemplo, si usted pasa demasiada corriente eléctrica por un alambre de cobre, como esos *ue se usan paraenc%ufar lámparas en la casa, este se calienta, se funde y se rompe. ?on los nuevos materiales, *ue no sonmetálicos sino cerámicos, uno puede pasar altas densidades de corriente sin *ue se calienten y sin *ue serompanN, explica Duan ?arlos Hon0áles

/uperconductividad

/e denomina superconductividad a la capacidad intrínseca *ue poseen ciertos materiales para conducir

corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en determinadas condiciones.

a superconductividad es una fase de ciertos materiales *ue se da normalmente a bajas temperaturas. o

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 &'&& por el físico %olandés 5ei6e 7amerling% $nnes, cuando observó

*ue la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando se lo enfriaba a A 7elvin :;


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Expulsión del campo magnético.

1un*ue la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es

*ue no podemos decir *ue se trate de un material de conductividad infinita, ya *ue este tipo de material

por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material superconductor es un diamagnético

perfecto. Esto %ace *ue no permita *ue penetre el campo, lo *ue se conoce como efecto "eissner .

5ay dos tipos de superconductores. os de Jipo I no permiten en absoluto *ue penetre un campo

magnético externo. Esto conlleva un esfuer0o energético alto, con lo *ue la mayoría de materiales reales

se transforman en el segundo tipo. os de tipo II son superconductores imperfectos, en el sentido en *ue

el campo realmente penetra a través de pe*ue4as canali0aciones denominadas vórtices de 1bri6osov, o

fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de %ec%o dos fases diferentes *ue fueron predic%as por

ev +avidovic% andau y 1le6sey 1le6séyevic% 1bri6ósov.

?uando a un superconductor aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente. /i lo

aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Vstos

van aumentando en n9mero colocándose en redes de vórtices *ue pueden ser observados mediante

técnicas adecuadas. ?uando el campo es suficientemente alto, el n9mero de defectos es tan alto *ue el

material deja de ser superconductor. Vste es el ca%po crtico *ue %ace *ue un material deje de ser

superconductor y *ue depende de la temperatura.

?omportamiento eléctrico Teditar U

a aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes .

Vstas son corrientes de electrones *ue no disipan energía, de manera *ue se pueden mantener eternamentesin obedecer el Efecto Doule de pérdida de energía por generación de calor. as corrientes crean el intenso

campo magnético necesario para sustentar el efecto "eissner . Estas mismas corrientes permiten transmitir

energía sin gasto energético, lo *ue representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales.

+ebido a *ue la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente *ue puede

soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crtica a partir de la cual el material deja

de ser superconductor y comien0a a disipar energía.

En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca *ue, incluso para corrientes

inferiores a la crítica, se detecte una cierta disipación de energía debida al c%o*ue de los vórtices con los

átomos de la red.

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$btención de materiales superconductores Teditar U

+ebido a las bajas temperaturas *ue se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales más

comunes se suelen enfriar con %elio lí*uido. El montaje necesario es complejo y costoso, utili0ándose en

muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, la construcción de electroimanes muy potentes pararesonancia magnética nuclear .

/in embargo, se %an desarrollado nuevos materiales llamados superconductores de alta temperatura *ue

muestran la transición de fase a temperaturas superiores a la transición lí*uido;vapor del nitrógeno

lí*uido. Esto %a abaratado muc%o los costos en el estudio de estos materiales y abierto la puerta a la

existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo *ue supondría una revolución en la

industria del siglo --I. a mayor desventaja de estos materiales es su composición cerámica, lo *ue lo

%ace poco apropiado para fabricar cables mediante deformación plástica, el uso más obvio de este tipo de

materiales. /in embargo se %an desarrollado técnicas nuevas para la fabricación de cintas como I1+ :deposición asistida mediante %a0 de iones@. "ediante esta técnica se %an logrado cables de longitudes

mayores de & 6ilómetro.

Jeoría Teditar U

a teoría microscópica más aceptada para explicar los superconductores se denomina Teora #C$. a

superconductividad se puede explicar como una aplicación del ?ondensado de ose;Einstein. El

problema es *ue los electrones son fermiones, por lo *ue no se les puede aplicar esta teoría directamente.

Dustamente la idea de la Teora #C$ es *ue los electrones se aparean formando un par de fermiones *ue

se comporta como un bosón. Esta pareja se denomina par de ?ooper y su enlace está justificado en las

interacciones de los electrones entre sí mediada por la estructura cristalina del material.

$tro enfo*ue diferente es mediante la Jeoría Huin0burg;andau, en la *ue se renuncia a detalles

microscópicos en pos de un enfo*ue basado en la ruptura de simetrías en la transición de fase. Esta teoría

predice dos longitudes características8

longitud de penetración8 es la distancia *ue penetra el campo magnético en el material superconductor

longitud de co%erencia8 es el tama4o aproximado del par de ?ooper

Tipos de superconductor Este es el aspecto más apasionante de la investigación de 9ltima línea sobresuperconductividad. El objetivo es conseguir superconductores de Jc alta. /eg9n lateoría ?/ el límite WnaturalX para la Jc está sobre los A2 grados 7elvin :7@.

5ay ( familias de materiales superconductores8

• Metales como el Mercurio (Hg), Plomo (Pb), Niobio (Nb) o aleaciones metálicas como

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el NbN, Nb3Sn o el Nb3Ge, todos por debajo de los 30 K de c!

• "#idos $ en especial los %#idos de &obre tipo capas '&u*, donde encontrar+amos

el má#imo en el Hga&a&u3- (c . /3 K, a presi%n de / atm! $ c . /12 K en

altas presiones)!

• Materiales $ cristales orgánicos con dopaje de portadores elctricos (cristales de 10

molculas de &arbono) donde se alcan4an 5asta los 23 K de c!

/i el modelo de pares de ?ooper ?/ tiene un máximo en los A27, Ycómo explicar lasuperconductividad de alta temperatura ligadas a las capas ?u$


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imán levitando sobre un material superconductor

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