Tipos de Materiales Superconductores Que Se Han Desarrollado en La Actualidad

TIPOS DE MATERIALES SUPERCONDUCTORES QUE SE HAN DESARROLLADO EN LA ACTUALIDAD

http://www.creces.cl/new/index.asp?imat=++%3E++28&tc=3&nc=5&art=374 http://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad

Superconductividad

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Efecto Meissner.

Imán levitando sobre un superconductor.

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones.

La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la

temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la

plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el

ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos

semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles

como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

Contenido

o 4.3 Los superconductores de alta temperatura

 5 Cómo obtener materiales superconductores

 6 Teoría

o 6.1 Un superconductor no es simplemente un conductor normal perfecto o 6.2 Teoría BCS o 6.3 Teoría Ginzburg-Landau  7 Clasificación  8 Aplicaciones  9 Véase también  10 Referencias  11 Enlaces externos

Expulsión del campo 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 de tipo I es perfectamente diamagnético. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.

El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo (lo cual conlleva un esfuerzo

energético alto, e implica la ruptura brusca del estado superconductor si se supera la

temperatura crítica), y los de tipo II, que 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 de tipo II le 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.

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] 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.

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] Calor específico

En los metales el calor específico es una función de la temperatura. Cuando la temperatura es muy baja, pero el metal está en el estado normal (es decir, cuando aún no está en estado superconductor) el calor específico tiene la forma

donde a y b son constantes que se pueden medir mediante experimentos. El primer término (el término lineal) refleja la conducción eléctrica, mientras que el segundo término (el que varía con el cubo de la temperatura) se debe a los fonones (es decir, a las vibraciones de la red).

Sin embargo, si seguimos enfriando y el metal pasa al estado superconductor, este comportamiento cambia radicalmente: el calor específico tiene una discontinuidad en la temperatura crítica, aumentando sensiblemente, para después variar de la forma

La siguiente gráfica muestra la dependencia del calor específico recién explicada (de color azul), y, adicionalmente, muestra cómo varía la resistividad (de color verde):

Nótese como el calor específico aumenta bruscamente a un valor igual a unas 2.5 veces el valor en el estado normal. Este valor es independiente del material superconductor, y está explicado en el marco de la teoría BCS.

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] Historia de la superconductividad

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] El descubrimiento

Ya en el siglo XIX se llevaron a cabo diversos experimentos para medir la resistencia eléctrica a bajas temperaturas, siendo James Dewar el primer pionero en este campo. Sin embargo, la superconductividad como tal no se descubriría hasta 1911, año en que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio

desaparecía bruscamente al enfriarse a 4 K (-269 °C), cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente hasta el cero absoluto. Gracias a sus descubrimientos,

principalmente por su método para lograr la producción de helio líquido, recibiría dos años más tarde el premio Nobel de física. Durante los primeros años el fenómeno fue conocido como supraconductividad.

En 1913 se descubre que un campo magnético suficientemente grande también destruye el estado superconductor, descubriéndose tres años después la existencia de una corriente eléctrica crítica.

Puesto que se trata de un fenómeno esencialmente cuántico, no se hicieron grandes avances en la comprensión de la superconductividad, puesto que la comprensión y las herramientas matemáticas de que disponían los físicos de la época no fueron suficientes para afrontar el problema hasta los años cincuenta. Por ello, la investigación fue hasta entonces meramente fenomenológica, como por ejemplo el descubrimiento del efecto Meissner en 1933 y su

primera explicación mediante el desarrollo de la ecuación de London dos años más tarde por parte de los hermanos Fritz y Heinz London.

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] Las teorías principales

Los mayores avances en la comprensión de la superconductividad tuvieron lugar en los años cincuenta: en 1950 es publicada la teoría Ginzburg-Landau, y en 1957 vería la luz la teoría BCS.

La teoría BCS fue desarrollada por Bardeen, Cooper y Schrieffer (de sus iniciales surge el nombre BCS), gracias a lo cual los tres recibirían el premio Nobel de física en 1972. Esta teoría se pudo desarrollar gracias a dos pistas fundamentales ofrecidas por físicos

experimentales a principios de los años cincuenta:

 el descubrimiento del efecto isotópico en 1950 (que vinculó la superconductividad con la red cristalina),

 y el descubrimiento de Lars Onsager en 1953 de que los portadores de carga son en realidad parejas de electrones llamados pares de Cooper (resultado de experimentos sobre la cuantización flujo magnético que pasa a través de un anillo superconductor).

La teoría Ginzburg-Landau es una generalización de la teoría de London desarrollada por

Vitaly Ginzburg y Lev Landau en 1950.1 Si bien esta teoría precede siete años a la teoría BCS, los físicos de Europa Occidental y Estados Unidos le prestaron poca atención por su carácter más fenomenológico que teórico, unido a la incomunicación de aquellos años entre ambos lados del Telón de Acero. Esta situación cambió en 1959, año en que Lev Gor'kov demostró que se podía derivar rigurosamente a partir de la teoría microscópica2 en un artículo que también publicó en inglés.3

En 1962Brian David Josephson predijo que podría haber corriente eléctrica entre dos conductores incluso si hubiera una pequeña separación entre estos, debido al efecto túnel. Un año más tarde Anderson y Rowell lo confirmaron experimentalmente. El efecto sería conocido como efecto Josephson, y está entre los fenómenos más importantes de los superconductores, teniendo gran variedad de aplicaciones, desde la magnetoencefalografía

hasta la predicción de terremotos.

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] Los superconductores de alta temperatura

Véase también:Cable de HTS

Tras algunos años de relativo estancamiento, en 1986Bednorz y Müller descubrieron que una familia de materiales cerámicos, los óxidos de cobre con estructura de perovsquita, eran superconductores con temperaturas críticas superiores a 90 kelvin. Estos materiales, conocidos como superconductores de alta temperatura, estimularon un renovado interés en la investigación de la superconductividad. Como tema de la investigación pura, estos materiales constituyen un nuevo fenómeno que solo se explica por el hecho de que hace pasar los electrones por parejas o "pares de Cooper". Y, debido a que el estado

superconductor persiste hasta temperaturas más manejables, superiores al punto de

ebullición del nitrógeno líquido, muchas aplicaciones comerciales serían viables, sobre todo si se descubrieran materiales con temperaturas críticas aún mayores.

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] Cómo obtener materiales superconductores

Debido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido (el nitrógeno líquido sólo es útil cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje necesario es

complejo y costoso, utilizándose en muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, la construcción de electroimanes muy potentes para resonancia magnética nuclear.

Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura, que muestran la transición de fase a temperaturas superiores a la transición líquido-vapor del

nitrógeno líquido. Esto ha abaratado mucho los costos en el estudio de estos materiales y abierto la puerta a la existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que supondría una revolución en la industria del siglo XXI. La mayor desventaja de estos materiales es su composición cerámica, lo que lo hace poco apropiado para fabricar cables mediante deformación plástica, el uso más obvio de este tipo de materiales. Sin embargo se han desarrollado técnicas nuevas para la fabricación de cintas como IBAD (deposición asistida mediante haz de iones). Mediante esta técnica se han logrado cables de longitudes mayores de 1 kilómetro.

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] Teoría

Si bien el fenómeno de la superconductividad es un tema abierto en física, en la actualidad hay dos enfoques fundamentales: el microscópico o mecano cuántico (basado en la teoría BCS) y el macroscópico o fenomenológico (en el cual se centra la teoría Ginzburg-Landau).

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] Un superconductor no es simplemente un conductor normal perfecto

Para demostrar esto vamos a suponer la hipótesis opuesta: imaginemos por un momento que un superconductor se comporta como un conductor normal. En tal caso, tendríamos que los electrones son esparcidos de alguna manera y su ecuación del movimiento sería

donde es la velocidad media de los electrones, m su masa, e su carga y el campo eléctrico en el que se mueven. Suponiendo que dicho campo varía suavemente, al resolverla llegaríamos a la ley de Ohm:

donde es la densidad de corriente, la conductividad eléctrica, el tiempo entre colisiones, y n la densidad de electrones.

Ahora bien, si suponemos que la resistencia tiende a cero, tendríamos que la conductividad tiende a infinito y por lo tanto el tiempo entre colisiones, , tendería a infinito. Dicho de otra manera, no habría colisiones en absoluto. Esta es la idea de cómo se comportaría un conductor normal que tuviera resistencia nula. Sin embargo, esto significaría que, puesto que la densidad de corriente no puede ser infinita, la única posibilidad es que el campo eléctrico sea nulo:

No obstante, teniendo en cuenta la ley de Faraday, un campo eléctrico nulo implica que el campo magnético ha de ser constante:

pero esto entra en contradicción con el efecto Meissner, de modo que la superconductividad es un fenómeno muy diferente a la que implicaría una "conductividad perfecta", y requiere una teoría diferente que los explique.

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] Teoría BCS

Artículo principal:Teoría BCS.

La teoría microscópica más aceptada para explicar los superconductores es la Teoría BCS, presentada en 1957. La superconductividad se puede explicar como una aplicación del

Condensado de Bose-Einstein. Sin embargo, los electrones son fermiones, por lo que no se les puede aplicar esta teoría directamente. La idea en la que se basa 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.

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] Teoría Ginzburg-Landau

Otro enfoque diferente es mediante la Teoría Ginzburg-Landau, que se centra más en las propiedades macroscópicas que en la teoría microscópica, basándose en la ruptura de simetrías en la transición de fase.

Esta teoría predice mucho mejor las propiedades de sustancias inhomogéneas, ya que la teoría BCS es aplicable únicamente si la sustancia es homogénea, es decir, si la energía de la banda prohibida es constante en el espacio. Cuando la sustancia es inhomogénea, el problema puede ser intratable desde el punto de vista microscópico.

La teoría se fundamenta en un cálculo variacional en el que se trata de minimizar la energía libre de Helmholtz con respecto a la densidad de electrones que se encuentran en el estado superconductor. Las condiciones para aplicar la teoría son:

 las temperaturas manejadas tienen que estar cerca de la temperatura crítica, dado que se fundamenta en un desarrollo en serie de Taylor alrededor de Tc.

 La pseudofunción de onda Ψ, así como el potencial vector , tienen que variar suavemente.

Esta teoría predice dos longitudes características:

 longitud de penetración: es la distancia que penetra el campo magnético en el material superconductor

 longitud de coherencia: es el tamaño aproximado del par de Cooper

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] Clasificación

Artículo principal:Clasificación de los superconductores.

Los superconductores se pueden clasificar en función de:

 Su comportamiento físico, pueden ser de tipo I (con un cambio brusco de una fase a otra, o en otras palabras, si sufre un cambio de fase de primer orden) o de tipo II (si pasan por un estado mixto en que conviven ambas fases, o dicho de otro modo, si sufre un cambio de fase de segundo orden).

 La teoría que los explica, llamándose convencionales (si son explicados por la teoría BCS) o no convencionales (en caso contrario).

 Su temperatura crítica, siendo de alta temperatura (generalmente se llaman así si se puede alcanzar su estado conductor enfriándolos con nitrógeno líquido, es decir, si Tc >

77K), o de baja temperatura (si no es así).

 El material de que están hechos, pudiendo ser elementos puros (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), cerámicas (entre las que destacan las del grupo YBCO y el diboruro de magnesio) o aleaciones.

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] Aplicaciones

Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en máquinas para la resonancia magnética nuclear en hospitales y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partículas. También pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos. Los superconductores se han utilizado también para hacer circuitos digitales y filtros de

radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil.

Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que son los bloques de construcción de los SQUIDs (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), los

magnetómetros conocidos más sensibles. Una serie de dispositivos Josephson se han utilizado para definir el voltio en el sistema internacional (SI). En función de la modalidad de funcionamiento, una unión Josephson se puede utilizar como detector de fotones o como mezclador. El gran cambio en la resistencia a la transición del estado normal al estado superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores de fotones criogénicos. Están apareciendo nuevos mercados donde la relativa eficiencia, el tamaño y el peso de los dispositivos basados en los superconductores de alta temperatura son superiores a los gastos adicionales que ellos suponen.

Aplicaciones futuras prometedoras incluyen transformadores de alto rendimiento, dispositivos de almacenamiento de energía, la transmisión de energía eléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para la propulsión de vehículos, como en vactrains o trenes maglev) y dispositivos de levitación magnética. Sin embargo la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento de modo que las aplicaciones que usan corriente alterna (por ejemplo, los transformadores) serán más difícil de elaborar que las que dependen de corriente continua.

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] Véase también

 Efecto Meissner

 Superfluidez

 Condensado de Bose-Einstein

 Superconductividad de alta temperatura

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] Referencias

1. ↑ VL Ginzburg y LD Landau (1950). «К теории сверхпроводимости». Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики (Zhurnal Eksperimentalnoi i Teoreticheskoi Fiziki, Revista sobre física experimental y teórica) 20: pp. 1064.

2. ↑ LP Gor'kov (1959). Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики (Zhurnal Eksperimentalnoi i Teoreticheskoi Fiziki, Revista sobre física experimental y teórica) 36: pp. 1918-1923.

3. ↑ LP Gor'kov (1959). «Microscopic derivation of the Ginzburg-Landau equations in the theory of. superconductivity». Soviet Physics - JETP 9: pp. 1364-1367.

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/apuntes/superconductividad/superconductivid ad.htm

¿Qué es la superconductividad?

La superconductividad es una tecnología en constante desarrollo que está destinada a jugar un importante papel en nuestras vidas hacia el siglo XXI. Naturalmente el logro de mayores temperaturas críticas está ligado al descubrimiento de nuevos materiales. Se prevé que el impacto que pueda causar en la sociedad mundial será semejante, sino mayor, al que tuvo la utilización del transistor.

Los gobiernos de los países industrializados tienen plena conciencia de la relevancia de invertir importantes sumas de dinero en investigación en esta área, dada la ventaja

estratégica y competitiva que puede llegar a brindar el hecho de estar a la vanguardia en la fabricación y utilización de la superconductividad en las diferentes áreas en las que es factible su aplicación, por lo que cada vez es más clara la competencia existente entre laboratorios, empresas y países.

Generalidades

Concepto

La superconductividad es una propiedad de algunos compuestos que no oponen resistencia alguna al paso de corriente ya que los electrones se desplazan sin colisiones y en zigzag a través de los cristales del átomo, es decir materiales con resistencia nula con los cuales se puede ahorrar la energía que se disipa en forma de calor en los otros conductores, debido a la colisión de los electrones entre sí y con los átomos del material. Además de lo anterior tienen otra característica muy importante que consiste en que expulsan de su interior los campos magnéticos mientras estos no sobrepasen un valor límite.

El descubrimiento de la superconductividad se remonta a 1908, año en el que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes llegó a enfriar el helio hasta el punto de su licuefacción, a una temperatura próxima al cero absoluto. Esta experiencia le permitió observar

fenómenos desconocidos hasta entonces y casi inconcebibles para los científicos de la época: por un lado, la superfluidez y por el otro lado la superconductividad, que Onnes demostró por primera vez en 1911.

Para lograr estas bajas temperaturas es necesario poner las muestras en contacto con helio líquido, elemento difícil de obtener y que requiere de procesos complicados y costosos para mantenerlo en su fase líquida. Desde entonces se inicio una búsqueda ininterrumpida para alcanzar aleaciones que alcanzaran la fase superconductora a temperaturas más elevadas. La curiosidad que Onnes sentía hacia el comportamiento de la materia a bajas temperaturas lo condujo al descubrimiento de la superconductividad experimentando con el mercurio, siendo posible porque había conseguido la licuación del helio que permitió enfriar los materiales a temperaturas próximas al cero absoluto (-273°C).

Puesto que el helio líquido es el mejor método que se conoce de refrigerar a temperaturas extremadamente bajas, la superconductividad podría verse obligada a esperar el desarrollo de nuevos materiales con temperaturas críticas mas altas para poder ofrecer beneficios fuera del entorno de un laboratorio.

Algunos científicos que trabajaban con superconductores similares a los empleados por Onnes, intentaron subir ligeramente la temperatura crítica mezclando compuestos para formar aleaciones superconductoras. Hacia 1933 la temperatura crítica fue duplicada a 10°K (aún muy baja).

El proceso fue lento y frustrante hasta 1941 cuando se encontraron aleaciones de niobio que se volvían superconductoras a 15°K. No fue hasta 1969 cuando la temperatura crítica volvió a duplicarse nuevamente, alcanzando los 20°K. Este avance fue muy importante, puesto que el hidrógeno se licúa a 20°K. Por primera vez podía utilizarse otro agente refrigerador.

Hacia 1971, los mejores superconductores eran aleaciones de aluminio y niobio-germanio que alcanzaban esta fase. En 1972 se concedió el Premio Nóbel de Física a J. Bardeen, L.N. Cooper y J.R. Schriffer por sus trabajos realizados a finales de la década de los años cincuenta, que daban cuenta del origen microscópico de la superconductividad. En 1973, la temperatura crítica subió unos pocos grados más, a 23°K. Durante

aproximadamente una década, los científicos intentaron aumentar la temperatura crítica. Experimentaron sin éxito con muchos compuestos y aleaciones.

Finalmente en 1986 dos investigadores de IBM en Zurich anunciaron haber conseguido subir la temperatura crítica a 30°K en un material completamente nuevo. Los nuevos materiales superconductores que no son aleaciones metálicas sino cerámicas hechas a base de óxido de cobre mezclados con bario o estroncio y alguno de los elementos conocidos como tierras raras (lantano, itrio y neodimio). Alex Müller y Georg Bednorz habían

sintetizado un complejo material cerámico (BaLaCuO) que presentaba superconductividad a 30°K. Este extraordinario descubrimiento impulsó a muchos investigadores a trabajar con materiales cerámicos similares. Unos meses después la temperatura crítica fue aumentada a 39°K.

En febrero de 1987 Ching-Wu (Paul) Chu y su equipo de investigación de la Universidad de Houston anunciaron haber desarrollado un superconductor con una temperatura de 98°K (Mezcla de óxido de cobre, bario e itrio (YBaCuO). Este descubrimiento causó un gran impacto en la comunidad científica mundial, pues la barrera impuesta por la necesidad de utilizar helio líquido había sido traspasada. El nitrógeno se licúa a 77°K, una temperatura bastante inferior a la temperatura crítica alcanzada. El nitrógeno líquido es fácil de

transportar en termos aislados, es muy barato, abundante y fácil de enfriar a diferencia del proceso con helio líquido es costoso.

En 1988 el óxido de cobre, calcio, bario y talio (TlBaCaCuO) alcanzó una temperatura crítica de 125°K. Las investigaciones efectuadas en el laboratorio de la Escuela Superior de Física y Química Industrial de París en mayo de 1993, trabajando con películas de óxido mixto de cobre, calcio, bario y mercurio (HgBaCaCuO) lograron una temperatura crítica de 133°K. Este mismo equipo logró en diciembre de 1993 una temperatura crítica de 250°K a partir de un compuesto de bismuto, estroncio, calcio y óxido de cobre (BiSrCaCuO). Los compuestos que han originado los sorprendentes adelantos en materia de

superconductividad son todos cupratos de la familia de las perovskitas de cobre, es decir, cristales constituidos por el apilamiento, en todas las direcciones del espacio, de octaedros que contienen en su centro un átomo metálico, el cobre, con átomos de oxígeno en los vértices; los espacios entre los octaedros están ocupados por otro átomo metálico. Sin embargo, la carrera de la temperatura crítica aún no ha terminado. Los científicos sueñan con superconductores a temperatura ambiente, que no necesiten refrigerarse, la cual está en torno a los 293°K (20°C).

Propiedades

Los superconductores ofrecen cuatro grandes ventajas sobre los conductores normales que podrían ser explotadas en muchas aplicaciones, ellas son:

Conducen la electricidad sin pérdida de energía, y por tanto, podrían utilizarse en lugar de los conductores para ahorrar energía.

No tienen resistencia, y por consiguiente no generan calor cuando se hace pasar corriente eléctrica por ellos. En un conductor ordinario, la pérdida de energía debida a su resistencia se disipa en forma de calor. Este calor impone un límite al número de componentes

empaquetar herméticamente un gran número de componentes electrónicos, sin preocuparse por la disipación de calor.

Tienen capacidad para crear campos magnéticos intensos. Estos campos pueden ser generados por imanes superconductores relativamente pequeños.

Pueden utilizarse para formar uniones Josephson, que son conmutadores superconductores. Su funcionamiento es similar al de un transistor, pero la unión Josephson es capaz de conmutar a una velocidad 100 veces superior. Conectando dos uniones Josephson de una forma especial, pueden detectarse campos magnéticos extremadamente débiles. Estos detectores tan sensibles de campos magnéticos reciben el nombre de SQUID's (Super-conducting Quantum Interference Devices Dispositivos superconductores de interferencia cuántica)

Las principales propiedades de los superconductores son las siguientes: El efecto Meissner.

Si un superconductor se refrigera por debajo de su temperatura crítica en el seno de un campo magnético, el campo rodea al superconductor, pero no penetra en él. Este fenómeno se conoce con el nombre de Efecto Meissner y fue descubierto en 1933. Sin embargo, si el campo magnético es demasiado intenso, el superconductor vuelve a su estado normal incluso estando a una temperatura inferior a su temperatura crítica.

Tomando como criterio la capacidad de un superconductor para repeler un campo o flujo magnético, es posible clasificar los superconductores en dos tipos. Los superconductores de tipo I son simples metales puros, tales como el plomo o el estaño. Estos repelen el campo magnético hasta que alcanza una determinada intensidad. Esta intensidad se denomina campo crítico, y es distinto para cada superconductor. Una vez que el campo magnético ha alcanzado su valor crítico, el superconductor vuelve a su estado normal perdiendo sus propiedades.

Los superconductores de tipo II se comportan de una forma ligeramente distinta. Estos superconductores son materiales más complejos, a menudo aleaciones de metales de transición (los metales de transición son un grupo de elementos del Sistema Periódico). En un superconductor tipo II, existe un segundo campo crítico más intenso que el primero. Una vez que el campo magnético ha alcanzado su primer valor crítico, el superconductor ya no repele completamente el campo, pero sigue conduciendo sin ofrecer resistencia. Cuando el campo alcanza un segundo valor crítico, el material presenta resistencia eléctrica. La mayoría de los superconductores de interés actual son de tipo II.

La Densidad de corriente.

Aplicar un campo magnético intenso no es la única manera de destruir la

superconductividad, una vez que el material ha sido refrigerado por debajo de su

puede hacer que éste pierda sus propiedades. La cantidad de corriente que un

superconductor puede soportar manteniendo nula su resistencia se denomina densidad de corriente, la cual se mide en amperios por unidad de área. Un valor típico de la densidad de corriente en un hilo superconductor es de 100.000 amperios por centímetro cuadrado. Si pasara una corriente más densa por el hilo, éste ofrecería resistencia.

La mayor parte de los conductores normales, como el cobre, son isótropos, es decir, conducen la corriente con igual facilidad en todas las direcciones. Con un hilo conductor ó superconductor que se isótropo no importa cuál de los extremos del hilo se conecta al terminal positivo de la fuente eléctrica y cuál al negativo. Sin embargo, muchos de los superconductores de alta temperatura son anisótropos, es decir, conducen mejor en unas direcciones que en otras. Algunos de estos materiales son capaces de conducir la corriente en una dirección a una velocidad 30 veces superior que en otra.

El efecto Josephson.

Otra propiedad interesante de los superconductores es el efecto Josephson, que está basado en otro fenómeno que recibe el nombre de efecto túnel. En una unión formada por una delgada barrera de óxido colocada entre dos superconductores, se puede producir efecto túnel. Las caras externas de los dos superconductores se unen entre sí y se mide la corriente que pasa a través de la unión. Cuando la unión se expone a campos magnéticos o radiación, el flujo de corriente debido a que algunos electrones atraviesan la barrera de óxido (efecto túnel). Este efecto puede emplearse en circuitos de computadores, y para detectar campos magnéticos muy débiles. Estudios muy recientes han demostrado que el efecto Josephson puede producirse a temperaturas muy superiores a las temperaturas críticas del material superconductor.

Todas estas propiedades de los superconductores abren muchas puertas al desarrollo tecnológico, pues muchos dispositivos actuales pueden ser mejorados en eficiencia, sensibilidad y rapidez. De otra parte, aplicaciones antes irrealizables son ahora factibles gracias a la superconductividad.

Teorías que explican la superconductividad

Desde el descubrimiento de la superconductividad los científicos han intentado explicar el funcionamiento de los superconductores, pues la elaboración de una teoría que desvele los misterios de la superconductividad podría permitirles desarrollar nuevos y mejores

superconductores y aprender más acerca de su comportamiento.

Aún no existe una explicación ampliamente aceptada de por qué se produce

superconductividad a alta temperatura. Para las antiguas generaciones de superconductores con temperaturas críticas próximas al Cero Absoluto, basta la teoría BCS. Sin embargo, es preciso encontrar una nueva teoría para los nuevos materiales que tenga en cuenta su importante actividad atómica. Es dudoso que se acepte a corto plazo una teoría completa de

la superconductividad, puesto que existen superconductores con temperaturas críticas aún más altas que están en fase de experimentación. Sin embargo existen las siguientes:

Teoría BCS

.

En 1957 tres investigadores, John Bardeen, Leon Cooper y J.R. Schrieffer, publicaron una teoría que intentaba explicar como funcionan los superconductores. Esta teoría recibió el nombre de teoría BCS, y los tres investigadores fueron galardonados por su trabajo. No se debe olvidar que en 1957 aun no existían los superconductores de alta temperatura que hoy se están desarrollando. La teoría BCS intenta explicar la superconductividad a temperaturas próximas al Cero Absoluto. Cuando los materiales se refrigeran a estas temperaturas, el movimiento de sus átomos se reduce dramáticamente.

La teoría BCS afirma que los electrones que fluyen a través de un superconductor se agrupan en pares debido a los fonones (Partículas asociadas a las vibraciones de la red cristalina), que crean una especie de pegamento subatómico. El par de electrones deja una estela al moverse a través de la red cristalina. Esta estela es aprovechada por los pares siguientes como camino a través de la red cristalina, evitando colisiones con otras

partículas, lo que obstaculizaría el flujo y generaría resistencia eléctrica (como ocurre con los conductores normales).

La teoría BCS supone que la actividad molecular de los átomos en la estructura cristalina del superconductor es muy reducida, cuando explica como los electrones pueden fluir a través de la red sin interferir con otras partículas. Esta teoría también explica por que el superconductor pierde su capacidad de conducir sin resistencia cuando se encuentra a una temperatura superior a su temperatura critica. Según la teoría BCS, a medida que sube la temperatura del material superconductor, aumentan las vibraciones de los átomos, que se traducen en vibraciones cada vez mayores de toda la red cristalina. Esta vibración excesiva provoca la ruptura del par de electrones, interrumpiéndose la estela del fonón, y causando la perdida de la superconductividad.

La magnitud de las vibraciones de la red esta relacionada directamente con la temperatura. El Cero Absoluto es el punto al cual desaparecen todas las vibraciones. Por tanto, es imposible alcanzar una temperatura mas baja, y de ahí el nombre de "Cero Absoluto". A medida que sube la temperatura por encima del Cero Absoluto, la magnitud de las

vibraciones aumenta sistemáticamente. La temperatura que tiene un material es justamente una medida del movimiento de sus átomos.

El punto de fusión de un material (como por ejemplo el hilo) es simplemente la temperatura de transición a la cual las vibraciones son tan fuertes, que las fuerzas de cohesión de la estructura cristalina no son lo suficientemente grandes para mantener los átomos en las posiciones que ocupan en la red, quedando estos libres para desplazarse.

Como resultado, un sólido rígido (hielo en el caso del agua) se convierte en un liquido. Si la temperatura sigue subiendo, se alcanza otra temperatura de transición en la que el

movimiento atómico es tan grande que las fuerzas de atracción existentes en el liquido no pueden mantener a los átomos juntos. En ese momento el material se convierte en un gas. Debido a que los nuevos superconductores tienen temperaturas criticas bastante superiores al Cero Absoluto, parece ser que la teoría BCS no explica por que se produce

superconductividad en estos nuevos materiales. Las temperaturas criticas son demasiado altas para poder suponer vibraciones reducidas, como ocurre en los antiguos

superconductores. Aun así, la mayor parte de los teóricos creen que los electrones en los superconductores de alta temperatura fluyen emparejados.

Teoría fundamentada en el excitón

.

Debido a que resulta bastante difícil encontrar una razón que explique el emparejamiento de los electrones en los nuevos superconductores de alta temperatura, las teorías actuales atribuyen el emparejamiento de los electrones a un mecanismo mucho mas poderoso que el fonón de la teoría BCS. Dicho mecanismo es el excitón. El excitón, de "electronic

excitation", es un mecanismo de interacción mas fuerte que los fonones y puede continuar operando a temperaturas mas altas.

Cuando los nuevos superconductores de alta temperatura son enfriados a su temperatura critica, las vibraciones de la estructura cristalina se sincronizan de tal manera que los electrones son guiados a través de la red.

Teoría fundamentada en los plasmones

.

Atribuye el emparejamiento de electrones a altas temperaturas al mecanismo derivado de movimientos colectivos de electrones (plasmones).

Teoría fundamentada en los magnones

.

Atribuye a los magnones, fluctuaciones de spin, que se propagan a través de la red y que crean una especie de camino que los electrones pueden seguir sin sufrir obstáculos.

Teoría RVB

.

Utiliza el concepto de enlace de valencia resonante y se basa en la repulsión electrón-electrón: a causa de que los electrones tienen la misma carga se repelen entre sí, haciendo que se prepare ellos mismos su propio camino a través de la red.

Estado del arte

Fabricación y formas de los superconductores actuales

El desarrollo de los superconductores de alta temperatura es tan reciente, que aún no han sido adaptados satisfactoriamente a la industria. Por ello la inmensa mayoría de las aplicaciones comerciales actuales están basadas en los antiguos superconductores. Actualmente la mayor parte de las aplicaciones de los superconductores a la industria utilizan su capacidad de conducir corriente sin resistencia. Para que un superconductor sea práctico debe ser resistente, de gran fiabilidad y fácilmente maleable. Existen dos grandes tipos de superconductores comerciales: las aleaciones dúctiles y los compuestos

intermetálicos.

Las aleaciones dúctiles comparten con los conductores la ventaja de que son fáciles de darles la forma de hilos y cables, y de que son relativamente maleables. Los compuestos intermetálicos con mucho más rígidos y aunque se les puede dar formas en el proceso de fabricación, no son flexibles. Las aleaciones dúctiles superconductoras son compuestos de niobio y titanio. Los compuestos intermetálicos se sintetizan con vanadio y galio.

Los superconductores comerciales se suelen fabricar en forma de hilos, de manera que se puedan hacer bovinados para construir generadores, motores y electroimanes. Estos materiales tienen temperaturas críticas del orden de 10°K. Pueden generar campos

magnéticos muy potentes y tienen densidades de corriente próximas a los 2.000 amperios por milímetro cuadrado. Estos compuestos comerciales de niobio-titanio o vanadio-galio cubren la mayor parte de las aplicaciones actuales de la superconductividad.

Laboratorios y equipos de investigación de universidades de todo el mundo han orientado sus esfuerzos al estudio de compuestos cerámicos de perovskitas. La fabricación de estos materiales superconductores cerámicos es relativamente fácil, pueden sintetizarse en cualquier laboratorio modestamente equipado. El primer paso en el proceso es mezclar y calentar los ingredientes. Se combinan óxidos de los metales itrio (Y), bario (Ba) y cobre (Cu) con ácido cítrico y etilen-glicol. La mezcla se calienta inicialmente a unos 38° Celsius. Posteriormente, la mezcla ya caliente se mete en un horno, donde se cuece a unos 800°C, con lo que se vaporizan los componentes líquidos, cristalizando el material restante en forma de polvos negros. El polvo es comprimido en un horno especial que genera

aproximadamente 150 Kg. por cm.2 de presión. El bloque resultante se enfría gradualmente durante varias horas. Una vez enfriado, el material se sumerge en un baño de nitrógeno líquido para probar la superconductividad. Se conecta un medidor de resistencia al material refrigerado para medir su resistencia eléctrica. Si el medidor no registra resistencia,

probablemente se habrá conseguido superconductividad. Si además el material presenta efecto Meissner, entonces es un auténtico superconductor.

Después de haber desarrollado y probado los nuevos materiales, los laboratorios están intentando darles formas útiles. Un bloque amorfo de superconductor no tiene interés práctico. Para poder diseñar dispositivos útiles, es necesario fabricar el material en hilos, cintas y otras formas.

Usos actuales de la superconductividad

La ciencia y la medicina se han beneficiado ya de las ventajas aportadas por la

superconductividad para generar campos magnéticos intensos y detectar señales magnéticas débiles.

Los físicos llevan mucho tiempo utilizando electroimanes superconductores para generar campos magnéticos de alta intensidad. Estos potentes electroimanes superconductores se han empleado como parte de un colisionador para acelerar partículas atómicas a

velocidades extremas, para después hacerlas colisionar. El estudio de los efectos

producidos proporciona a los científicos valiosos datos sobre la naturaleza de las partículas implicadas en la colisión. Un superacelerador conocido como SSC (Supercolisionador Superconductor) será 20 veces más potente que el Tevatrón. Tendrá forma de anillo y será de una longitud de 85 Km. Este superacelerador está siendo construido en los U.S.A. En el laboratorio se utilizan los aisladores magnéticos que sirven para aislar un mineral u otra sustancia determinada basándose en su densidad y propiedades magnéticas. Los

materiales a aislar se mezclan en un fluido magnético. La mezcla se vierte en un dispositivo tubular rotatorio, rodeado por una bobina superconductora que genera un potente campo magnético. Este campo empuja hacia el exterior del fluido, causando que las partículas más densas se muevan hacia el tubo.

Los SQUID`s (dispositivo superconductor de interferencia cuántica) se utilizan mucho en prospecciones. Con ellos se pueden medir las propiedades de las ondas electromagnéticas reflejadas al incidir en la superficie de la Tierra. Gracias a su alta sensibilidad en la detección de campos magnéticos son también utilizados por los médicos para hacer magnetoencefalogramas.

En medicina la superconductividad es útil para la construcción de equipos de generación de imágenes. Las máquinas NMR (Resonancia Magnética Nuclear) y MRI (Imágenes por Resonancia Magnética) son capaces de generar imágenes detalladas del interior de

organismos. Una máquina MRI puede generar, por ejemplo, una imagen del corazón de un paciente sin tener que hacer disecciones en la piel o introducir sondas en la sangre. La misma técnica puede aplicarse igualmente a otros órganos. Las máquinas MRI funcionan colocando al paciente en un potente campo magnético generado por un electroimán superconductor.

Los productos disponibles hoy a partir del uso de materiales superconductores son

didácticos y varillas de nivel para el nitrógeno líquido. No se puede decir que estos aparatos exciten la imaginación o revolucionen la sociedad; pero son hitos tangibles en el camino hacia el éxito comercial de los nuevos superconductores.

Ya se están efectuando demostraciones de componentes de uso en comunicaciones por ondas micrométricas y rastreo militar y todo está a punto para que empiece su producción. Los cables se van haciendo más largos, cada vez pueden transportar más corriente y se han construido ya con ellos dispositivos que prueban la viabilidad técnica de las aplicaciones de potencia.

Los científicos de Argonne National Laboratory en Argonne Illinois, fueron los primeros investigadores americanos en dar a los nuevos superconductores la forma de un hilo, el cual tiene un diámetro aproximado de 0.2 mm. Al hace el hilo tan fino se consigue que los rígidos materiales cerámicos presenten algo de flexibilidad.

Unos investigadores de IBM han ideado un vaporizador de superconductores con el cual pueden cubrir (pintar) superficies complejas y de gran tamaño. Esta técnica aumenta la perspectiva de hacer útil, fácil y económicamente, confinamiento magnético, cableado de computadores y otras aplicaciones. Mediante una técnica industrial llamada vaporización de plasma, el superconductor puede se rápidamente calentado a miles de grados Celsius y depositado en una superficie cualquiera, en la que posteriormente se resolidifica. Después de la formación de la capa la superficie es recocida, obteniéndose un recubrimiento que se hace superconductor al refrigerarse.

Principales empresas y laboratorios que trabajan en

superconductividad

En los Estados Unidos:

Argonne National Laboratory - Argonne, Illinois. AT&T Bell Laboratories - Short Hills, New Jersey. American Superconductor Corporation - Boston, MA. Blomagnetic Technologies - San Diego, California. Conductis - Palo Alto, California.

GA Technologies - San Diego, California. General Dynamics - San Diego, California.

General Electric Research and Development Center - Schenectady, New York. HYPRES Inc. - Elmsford, New York.

IBM Research Division - Yorktown Heights, New York. Intermagnetics General Corporation - Guilderland, New York. Monolithics Superconductors Inc. - Beaverton, Oregon. Supercon Inc. - Shrewsbury, MA.

Superconductor Technology Inc. - Santa Bárbara, California. TRW - Redondo Beach, California.

Westinghouse - Pittsburgh, PA. En el Japón:

Fujitsu. Hitachi.

Mitsubishi Electric.

Nippon Telegraph and Telephone. Toshiba

En Inglaterra:

Oxford Instruments Group. En Alemania:

Siemens.

Panorama Internacional Actual

La competición entre países está estimulada por las ventajas económicas que promete la industria de superconductores de alta temperatura y se plantea en especial una fuerte rivalidad entre Estados Unidos y Japón por la supremacía en el desarrollo de este campo.

Japón tiene un extenso plan de investigación y desarrollo para la explotación de la tecnología de superconductores, gracias al esfuerzo del gobierno, la industria e investigadores universitarios. Las medidas tomadas se asemejan a las tomadas en

electrónica de circuitos integrados y que los llevó a ocupar el primer lugar a nivel mundial. Entre los proyectos se pueden mencionar los de magnetohidrodinámica y trenes MagLev (trenes de levitación magnética). Diferentes empresas están desarrollando computadores basados en uniones Josephson, mientras otras fabrican hilos y cables superconductores. En Estados Unidos se encuentran también empresas que llevan algún tiempo desarrollando hilos, cables, dispositivos y electroimanes superconductores, además de múltiples estudios de nuevas aplicaciones en el área de la electrónica.

Como en el caso de los semiconductores, ahora, los superconductores pueden convertirse en un factor discordante entre Estados Unidos y Japón que son los países que llevan la delantera en esta tecnología, por lo que algunos científicos plantean la necesidad de tratarla como un bien para toda la humanidad y teniendo en cuenta que el mundo económico se encuentra estrechamente interconectado buscar la resolución de las dificultades que se plantean de manera conjunta.

Algunos científicos y legisladores estadounidenses piensan que los adelantos conseguidos en superconductividad se pueden perder en beneficio de los japoneses y ven en los

superconductores una oportunidad de recuperar el terreno perdido en la industria de

circuitos integrados, por lo que intentan desarrollar estrategias que les permita competir con mas eficiencia, para conseguir la supremacía tecnológica del próximo siglo. El plan para fomentar el desarrollo de aplicaciones de la superconductividad incluye los siguientes puntos:

Aumentar los presupuestos para investigación del departamento de Defensa. Ofrecer subvenciones para aplicaciones comerciales.

Suavizar las leyes anticréditos para facilitar los acuerdos de investigación. Establecer leyes de patentes estrictas.

Retrasar la publicación de información científica de interés.

En segundo lugar a nivel mundial en esta área se encuentra la Comunidad Europea, en cuyos países (Inglaterra, Francia y Alemania en especial) también se invierte cifras

significativas en investigación. Sin embargo, presentan cierto rezago con respecto a Japón y Estados Unidos. Actualmente se calcula que el mercado mundial de superconductores esta alrededor de los US$ 2.000 millones.

Los países antes citados no son los únicos interesados en la investigación de

material parcialmente superconductor a 299°K, temperatura ambiente. En Pekín se han conseguido algunos avances de interés. Tokyo ha sido el origen de muchos descubrimientos importantes en superconductividad.

Prospectiva Tecnológica

La superconductividad es una tecnología que está cambiando constantemente con la posibilidad de nuevos avances y descubrimientos. Los ingenieros intentan orientar la tecnología actual de superconductores hacia aplicaciones útiles y las empresas buscan los beneficios comerciales que de éstas se pudieran obtener. Considerándola como una ciencia destinada a jugar un papel importante en la alta tecnología del siglo XXI. Cada vez se acentúa más la competición de los gobiernos de los países más industrializados, toman medidas para no quedarse atrás en el rápido crecimiento de está tecnología.

Para el año 2005 se espera haber logrado materiales superconductores cuya temperatura crítica haya alcanzado la temperatura ambiente, lo que ampliaría la cobertura práctica de su aplicación en dispositivos comerciales y que con el advenimiento de nuevos materiales el mercado actual de superconductores tenderá a aumentarse significativamente a tal punto que los cálculos más optimistas hablan de aproximadamente US$ 35.000 millones.

Aplicaciones futuras.

En sistemas de potencia

Los sistemas eléctricos de potencia podrían ser grandes beneficiarios de la

superconductividad. Los sistemas de potencia abarcan todos los sistemas utilizados para producir y distribuir electricidad. Desde los generadores en las centrales eléctricas hasta los consumidores individuales, pasando por la red de distribución, los materiales

superconductores podrían ahorrar mucha energía y dinero frente a los sistemas

convencionales. Unos generadores que tuvieran bobinados de hilos superconductores en lugar de hilos convencionales de cobre podrían generar la misma cantidad de electricidad con menor trabajo y equipamiento más pequeño. Una vez generada la electricidad, podría distribuirse a través de una red de líneas de alta tensión superconductoras. Los sistemas actuales de distribución gastan hasta el 20% de la energía que reciben a causa de su resistencia.

La energía que llega al consumidor podría ser utilizada más eficientemente si los electrodomésticos tuvieran motores con bobinados superconductores y circuitos electrónicos con materiales del mismo tipo.

No existen en la actualidad muchas formas de almacenar grandes cantidades de energía. Las baterías no son adecuadas en muchos casos, debido a su costo, tamaño, volatilidad y gastos de mantenimiento. El sistema SMES (almacenamiento de energía magnética por superconducción) podría llegar algún día a proporcionar una forma práctica y eficiente de

almacenar grandes cantidades de electricidad. Unos anillos superconductores gigantes, que se podrían situar bajo tierra, serían capaces de almacenar grandes cantidades de energía eléctrica en prolongados períodos de tiempo.

En electrónica

De todas las áreas que recibirán el impacto de la superconductividad, la electrónica será probablemente la primera. La superconductividad permite el diseño y elaboración de una nueva familia de circuitos integrados con impresionantes prestaciones. El calor es un enemigo de los circuitos integrados, éstos fallan inmediatamente cuando operan a temperaturas que exceden sus especificaciones de diseño. Esta es la razón por la cual muchos aparatos que tienen circuitos de este tipo disponen de ventiladores (como por ejemplo el ordenador personal). El calor es generado por el flujo de corriente eléctrica. Los diseñadores de dispositivos electrónicos ponen mucho cuidado en sintetizar y espaciar los circuitos de forma que el calor generado pueda disiparse sin degradar el funcionamiento del dispositivo.

Empleando superconductores en los diseños, no habría disipación de calor. Así, los circuitos podrían conectarse más próximos entre sí, lo que además reduciría el tiempo que necesitan las señales eléctricas para ir de un punto del circuito a otro. Esto permitiría construir dispositivos más rápidos y complejos que ocupasen además menos volumen. Otra aplicación de la superconductividad que ha causado gran impacto en la electrónica es la unión Josephson, la cuales podrían sustituir con éxito al transistor como unidad de conmutación en computadores de alta velocidad.

Con uniones Josephson, podría construirse un computador mucho más potente que

cualquiera de los supercomputadores que existen en la actualidad y con un volumen mucho menor.

En ciencia y medicina

Un uso de los electroimanes superconductores en el laboratorio sería para la construcción de "botellas magnéticas" capaces de contener una reacción de fusión. En una reacción de fusión se combinan átomos entre sí, liberándose energía (el mismo método que emplean las estrellas). Los reactores de fisión nuclear utilizados en la actualidad descomponen los átomos para generar energía, dejando residuos radiactivos. Los reactores de fusión no son residuales, sin embargo, las reacciones de fusión son tan violentas y desprenden tanto calor que aún no se conoce ningún material capaz de contenerla. Los físicos confían en que los futuros imanes superconductores podrán generar campos magnéticos capaces de confinar estas reacciones.

En medicina la superconductividad sería útil para el mejoramiento en la construcción de equipos de generación de imágenes a partir de resonancia magnética.

En transporte

La superconductividad puede afectar a los medios de transporte de muchas formas. Se podrían emplear compactos electroimanes superconductores para hacer levitar a los trenes por encima de sus raíces. Estos trenes MagLev (levitados magnéticamente) podrían flotar en un campo magnético mientras son impulsados a velocidades dos veces superiores a las de cualquier tren existente en la actualidad. Eficientes motores superconductores podrían crear una nueva gama de vehículos, barcos y submarinos eléctricos.

En defensa

Los militares orientan sus investigaciones hacia distintos aspectos de la

superconductividad. Lanzaderas de mísiles con guías superconductoras podrían sustituir a los proyectiles explosivos, y motores superconductores permitirían a los submarinos operar mucho más silenciosamente, haciendo mas difícil su detección. También podrían mejorarse las prestaciones de todo tipo de detectores, haciéndolos más sensibles en rangos de

operación más amplios.

Líneas de Investigación

Esfuerzos por subir la temperatura crítica de los diferentes materiales.

Algunos laboratorios que han anunciado superconductores a temperatura ambiente en zonas muy localizadas de los materiales intentan aislar y caracterizar las zonas superconductoras de estos con la intención de crear un material uniforme.

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

Se esta investigando para superar las limitaciones que presentan los actuales

superconductores de alta temperatura por sus propiedades mecánicas, ya que se trata de compuestos cerámicos bastante duros lo que dificulta su manufacturado de maneras útiles, como hilos, cintas, y películas delgadas.

El gobierno de Estados Unidos esta subvencionando distintos proyectos de investigación en nuevas aplicaciones practicas de los superconductores.

En Estados Unidos el Departamento de Nuevas Ciencias y Tecnologías investiga para usar la superconductividad para mejorar los censores infrarrojos especiales de detección de mísiles. También está interesado 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 Unidos (DOE) trabaja en el desarrollo de hilos superconductores, ya tiene una base de datos especializada para el uso de los científicos estadounidenses.

http://www.cps.unizar.es/~transp/Ferrocarriles/ANEXO(El_tren_de_levitacion_magnetica). html

ANEXO -- EL TREN DE LEVITACION MAGNETICA

Son varios los países que han trabajado en el desarrollo de los sistemas de levitación magnética en los ferrocarriles, aunque actualmente sólo Alemania y Japón tienen proyectos concretos que podrían ser implantados para uso comercial en un futuro inmediato. Las dos teorías seguidas por estos países en el desarrollo de este tipo de ferrocarril son las siguientes:

 El modelo alemán se basa en la suspensión usando electroimanes DC controlados.

 El modelo japonés utiliza levitación mediante la aplicación de materiales superconductores.

Debido a que en la actualidad está más desarrollado el proyecto japonés se planteará esta opción mejor que la alemana en la explicación de este apartado.

En Japón existe en la actualidad la línea Tokyo-Osaka del tren bala Tokaido Shinkasen que es utilizada diariamente por un gran número de pasajeros. Dicha línea fue inaugurada en 1964 y dicho tren alcanza una velocidad máxima de 270 Km/h; recorre la totalidad de la distancia de la línea en 150 minutos, y transporta alrededor de 140 millones de pasajeros al año. Cada día salen de la estación central de Tokyo 140 trenes con 16 vagones. Cada tren mide 400 m y puede llevar hasta 1300 pasajeros. Debido a que la demanda es superior a la oferta es obvio que Japón necesita otra línea dealta velocidadentre Tokyo y Osaka, y de aquí el gran interés por el rápido desarrollo del proyecto del tren de levitación en este país.

Las razones para la elección de este sistema de transporte son las siguientes:

 Debido a la falta de rozamientos, la velocidad máxima teórica que puede alcanzar es muy superior a la de un tren convencional.

 Es un tren muy seguro, pues sus características constructivas hacen imposible el descarrilamiento.

 Como no existe contacto entre las partes móviles, éstas apenas se desgastan. Además desaparece la catenaria. Todo esto facilita el mantenimiento de los vehículos y la vía.

 Presenta niveles muy bajos de contaminación acústica.

 La única fuerza que limita su avance es la resistencia del aire.

El principio de funcionamiento de este tren es su propulsión, levitación y guiado por medio de la fuerza electromagnética que actúa entre los imanes

superconductores del tren y las bobinas de la vía.

El sistema de propulsión del vehículo es un motor síncrono lineal:  El inductor son las bobinas trifásicas colocadas en la vía.

La vía se divide en partes de una determinada longitud y las bobinas que están dentro de cada parte se conectan en serie entre sí formando una sección de alimentación. Cada sección se conecta a la toma de corriente mediante un interruptor de sección.

El sistema de levitación está compuesto por un imán superconductor en el tren y bobinas cortocircuitadas en lavía, las cuales pueden sustituirse por unas planchas de metal, haciendo el mismo efecto.

Cuando el vehículo se mueve lo hace también el campo magnético creado por los imanes superconductores. Si el circuito es inductivo se genera una fuerza de levitación, mientras que si es resistivo la fuerza de levitación se anula y aparece una fuerza magnética de resistencia que se opone al movimiento. Como este sistema se basa en la corriente inducida en la bobina de la vía, la fuerza de levitación es cero cuando está parado. La fuerza de levitación

aumenta con la velocidad del vehículo, aunque por encima de cierta velocidad el aumento es mínimo. Cuando la fuerza de levitación iguala el peso del vehículo, éste despega.

Además el sistema de levitación genera una fuerza lateral que debe ser considerada y anulada por el sistema de guiado.

El sistema de guiado se basa en el mismo principio que el sistema de levitación. La diferencia entre ambos reside en que el sistema de levitación actúa siempre para generar una fuerza que soporte el peso del vehículo, mientras que el sistema de guiado genera una fuerza sólo cuando el vehículo se desplaza lateralmente; por todo esto se suelen conectar entre sí las bobinas de ambos lados de la vía.

-> Sistema de levitación

-> Sistema de guiado

Dentro del apartado de construcción del sistema del tren lo que más se tiene en cuenta es el aspecto económico, por lo que para abaratar costes por

kilómetro de vía es necesario disminuir el número de bobinas. Para llegar a tal objetivo se ha optado, tras numerosos estudios, por la disposición vertical de las bobinas.

Los convertidores de potencia alimentan las bobinas de propulsión de la guía, lo que hace que estas bobinas actúen como imanes. La interacción entre las

bobinas de propulsión y los imanes superconductores del tren produce la fuerza propulsora.

Los imanes superconductores ejercen fuerzas de atracción y repulsión sobre las bobinas de la base, por lo que éstas deben de ser lo suficientemente

resistentes. Como las bobinas de propulsión deben instalarse a lo largo de toda la vía, deben de ser lo más baratas posible.

Para reducir considerablemente el campo creado por los armónicos se adopta por disponer las bobinas en doble capa, cubriendo cada bobina 180º eléctricos.

Cualquier mecanismo basado en superconductividad necesita un sistema de refrigeración, ya que a temperaturas altas los materiales superconductores pierden sus propiedades y se vuelven conductores.

El sistema de refrigeración utilizado en el tren japonés es un ciclo de gas cerrado en el que el refrigerador está directamente conectado al tanque de helio del imán y el compresor está situado en el vagón. Las partes de este sistema de refrigeración son:

 Un refrigerador de helio.

 Un compresor.

 Un tanque de reserva de helio.

 Una unidad de control.

Sistema de refrigeración

Las condiciones que debe cumplir dicho sistema de refrigeración son:

 El helio evaporado por las pérdidas de calor y las vibraciones producidas por el movimiento tiene que ser licuado de nuevo por el compresor y el refrigerador de manera uniforme.

 Durante la carga y descarga del superconductor (operación que normalmente se realiza una vez al día), el nivel de helio líquido decrece en el tanque, por lo que debe ser almacenado este helio evaporado en un tanque en cuanto la unidad de control detecte el incremento de presión en la entrada del compresor. El gas almacenado en el tanque se licuará de nuevo en el refrigerador por la noche; así la cantidad de helio líquido será la misma a la mañana siguiente.

Esto significa que el sistema puede funcionar sin la reposición periódica de helio líquido incluso cargando y descargando diariamente el

 Cuando ocurre alguna avería en el refrigerador o el aumento de temperatura excede temporalmente la capacidad del refrigerador, es deseable que la influencia sea pequeña y que el imán superconductor siga funcionando el mayor tiempo posible.

 Dado que el sistema de refrigeración va a ir a bordo del tren no es deseable que por causa de él aumente la magnitud de las fuerzas electromagnéticas necesarias para mover el vehículo, ni que consuman gran cantidad e energía eléctrica.

Para el correcto funcionamiento del sistema de propulsión el vehículo dispone de sensores de posición que por medio de un transmisor emiten señales de radio a través de un cable coaxial hasta el centro de control. Esta

comunicación es bidireccional. En el centro de control, basándose en las señales recibidas desde el vehículo, se calcula la velocidad y distancia. Después se comunica al controlador (situado en la subestación y que controla los convertidores) la corriente apropiada para que el vehículo circule correctamente.

El convertidor juega el papel más importante en el funcionamiento del tren magnético, ya que se encarga de suministrar la energía a las bobinas de propulsión que se encuentran en las vías.

Ultimo prototipo, aún en fase de desarrollo, para el tren magnético de levitación japonés

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/064/htm/sec_11.htm

IV. ALGUNAS APLICACIONES DE LA

SUPERCONDUCTIVIDAD.

PUEDE decirse que existen tres tipos de aplicaciones de la superconductividad:

1) La producción de grandes campos magnéticos. Al decir grandes nos referimos tanto a una gran intensidad del campo magnético como al espacio en el cual se crea el campo.

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).

En los casos en que las líneas de transmisión deben ser subterráneas, habría cierta ventaja económica con la utilización de los cables

superconductores.

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. Este panorama puede cambiar con el descubrimiento de los nuevos materiales superconductores cerámicos. 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 aun en ausencia de un voltaje aplicado). 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.

La aplicación más importante, en cuanto a la cantidad de material empleado, es y será por mucho tiempo la producción de campos magnéticos, que se emplean, principalmente, en los laboratorios de física con fines de investigación, y es común ver pequeños

electroimanes superconductores que sirven para producir campos magnéticos con intensidades del orden de 103 _{Oersted. 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.

Por otro lado, se espera que los motores y generadores

superconductores tendrán enormes consecuencias en lo social y económico, en unos años más, pues para su elaboración se utilizan campos magnéticos intensos. También se desea utilizar electroimanes superconductores para la levitación de trenes de transporte de pasajeros o de carga.