Bachillerato a distancia Superconductividad

La superconductividad es uno de los fenómenos físicos más investigados en la actualidad, debido tanto a su interés científico fundamental como a sus importantes aplicaciones tecnológicas. El reciente descubrimiento de la denominada superconductividad de alta temperatura ha aumentado el número y la importancia práctica de sus aplicaciones, y con ello los esfuerzos materiales y humanos que se dedican a este fascinante problema de la Física.

La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike K. Onnes, que observó cómo, al bajar la temperatura, ia resistencia eléctrica del mercurio se hacía prácticamente cero. Hoy día se conocen muchos otros materiales superconductores.

El fenómeno de la superconductividad engloba diversas propiedades físicas muy singulares e interesantes. La primera de ellas es la ya mencionada de que la resistencia al paso de la corriente eléctrica se hace cero por debajo de cierta temperatura, característica de cada material superconductor y que se denomina temperatura crítica. Las temperaturas críticas de los materiales superconductores conocidos antes de 1986 eran de unos pocos grados Kelvin, o sea, de aproximadamente —270 °C. Si tenemos un superconductor con forma de anillo y generamos en él una corriente eléctrica, ésta no decae con el tiempo, dado que la resistencia del material es nula. La muestra no se calienta y no hay ninguna disipación de energía.

Los efectos magnéticos de los superconductores son también sumamente interesantes. Atendiendo a su comportamiento magnético, los superconductores se clasifican en dos tipos denominados I y II. En los superconductores del tipo I, cuando se aplica un campo magnético lo suficientemente fuerte, denominado campo crítico, la superconductividad desaparece. 
El campo crítico decrece al aumentar la temperatura y se hace cero a la temperatura crítica, tal como se muestra en la ilustración. En la región superconductor a, el campo magnético B es repelido del material. B es estrictamente cero en el interior del superconductor. A esta repulsión se la conoce como efecto Meissner y es la causante de la levitación magnética. Cuando situamos un imán encima de un . superconductor, aquél levita sobre éste, debido a que es energéticamente más favorable mantener al imán en una posición elevada, con la consiguiente penalización de energía gravita- toria, que tener que expulsar las líneas del campo magnético del superconductor.

En los superconductores de tipo II existen dos campos magnéticos críticos, B1 y B2 Si el campo es mayor que B2, el material es un metal normal, mientras que si B es menor que B1 es enteramente superconductor y no existe penetración de flujo magnético, al igual que ocurre en los del tipo I. En la región intermedia, la resistencia eléctrica es prácticamente cero, pero el flujo magnético penetra en el material. Dicha penetración se produce a lo largo de líneas de flujo, denominadas vórtices, por la forma de las corrientes superconductoras que las rodean. 
Cada línea de flujo corresponde a un cuanto de flujo, es decir, a una cantidad fija, independiente del material. El campo magnético penetra el material de forma cuantizada. Las propiedades de las líneas de flujo son muy importantes. Los nuevos superconductores de alta temperatura también presentan una región con penetración del campo magnético, pero en este caso las líneas de flujo ocupan posiciones desordenadas, mientras que en los superconductores del tipo II están dispuestas ordenadamente.

La teoría microscópica de la superconductividad fue publicada en 1957 por Bardeen, Cooper y Schrieffer, por lo que se conoce como teoría BCS. Esta teoría predice que los electrones dentro de los materiales superconductores experimentan, en determinadas circunstancias, una interacción atractiva, capaz de vencer a la repulsión de Coulomb. Cuando un electrón viaja entre los iones positivos del material, éstos tratan de acercársele, lo que atrae hacia esa zona a un segundo electrón. Gracias a esta interacción, los electrones se agrupan en parejas, conocidas como pares de Cooper. El movimiento de dichos pares no se ve afectado ni por las impurezas ni por las vibraciones de la red que forma el material, por lo que éste no les ofrece resistencia. La naturaleza detallada de los pares de Cooper es compleja y ha de realizarse dentro del marco de la mecánica cuántica. En la superconductividad, los efectos cuánticos se manifiestan a escalas macroscópicas.

En la mecánica cuántica, toda partícula posee una cierta probabilidad de atravesar zonas energéticamente prohibidas según la Física clásica, lo que se conoce como efecto túnel. En los superconductores existe la posibilidad de transferencia túnel de pares de Cooper, fenómeno que se conoce como efecto Josephson. Este efecto posee muchas aplicaciones, entre las que destaca la medición extremadamente precisa de campos magnéticos. Los dispositivos de medida correspondientes se denominan SQUID y se utilizan con profusión en múltiples áreas de la técnica, y en concreto en el campo del diagnóstico médico.

En 1986, Bednorz y Müller descubrieron que un material cerámico, compuesto por lantano, bario y cobre, y de características muy diferentes de las de los superconductores tradicionales, era superconductor y su temperatura crítica, de 30 K, era muy superior a las encontradas anteriormente. Desde entonces se ha hecho un esfuerzo tremendo en el estudio de materiales similares y se han obtenido superconductores con temperaturas críticas cada vez mayores, de hasta unos 100 K, aproximadamente. Aunque dicha temperatura pueda parecer aún baja, está por encima de la temperatura de ebullición del nitrógeno, lo que posee una importancia tecnológica fundamental. Los dispositivos superconductores pueden funcionar con nitrógeno líquido, un refrigerante mucho más abundante, económico y fácil de manejar que el helio líquido, que se utiliza con los superconductores tradicionales. El mecanismo responsable de la superconductividad en estos nuevos materiales aún no se conoce y constituye uno de los mayores retos de la Física actual. 

Los superconductores se aplican en gran cantidad de dispositivos, y los nuevos superconductores de alta temperatura abren la puerta a nuevas posibilidades. Entre estas aplicaciones podemos destacar: medidas precisas de campos magnéticos, transmisión de potencia eléctrica con pérdidas pequeñas, electroimanes pótentes, lévitación magnética, circuitos electrónicos con una altísima velocidad de conmutación y, en consecuencia, ordenadores muy rápidos.


0 comentarios:

Publicar un comentario en la entrada