SUPERCONDUCTIVIDAD

Un pequeño imán cilíndrico flota por encima de un superconductor de alta temperatura. El vapor de es de ebullición del nitrógeno líquido, que mantiene al superconductor en un cero de la resistencia estado. Cuando el imán desciende hacia el superconductor, induce una instalación eléctrica actual, que crea un campo magnético opuesto, de conformidad con la ley de Ampere.

Debido a que el superconductor no tiene resistencia eléctrica, esta corriente inducida sigue el flujo, manteniendo el imán suspendido indefinidamente.
David Parker / IMI / Science Source / Photo Researchers, Inc.

Flujo de corriente eléctrica sin resistencia.

Los superconductores tiene una temperatura llamada temperatura de transición, debajo de la cual presentan el fenómeno de la superconductividad; hay que mencionar que el fenómeno se ha observado también en ciertos materiales cerámicos que normalmente (a temperatura ambiente), son aisladores (no conducen la corriente eléctrica); es decir que el superconductor no tiene necesariamente que ser conductor a temperaturas normales. El Primer superconductor fue el mercurio a una temperatura -269 °C ó 4.2 K encontrado por el científico holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1911( Onnes,1911). Había estado trabajando en el comportamiento de la materia a baja temperatura (de hecho fue el primero en conseguir helio líquido), cuando observó que el mercurio transmitía la electricidad sin pérdidas.

La superconductividad, como Kamerlingh denominó a este fenómeno, posibilita una serie amplia de aplicaciones; sin embargo las bajas temperaturas a las cuales la superconductividad podía ocurrir, unos cuantos grados Kelvin por encima del cero absoluto de temperatura, presentaba enormes dificultades técnicas. Además, el paso de una alta corriente eléctrica a través de un material superconductor genera un campo magnético lo suficientemente intenso que por encima de un cierto valor crítico, que depende del material, destruye la superconductividad. Los campos magnéticos críticos para elementos superconductores tales como plomo o estaño son tan bajos como uno cuantos Gauss. El mismo Onnes, galardonado en 1913 con el premio Nobel de Física, se dio rápidamente cuenta de que si la superconductividad pudiese tener alguna aplicación práctica, la temperatura crítica TC, temperatura que marca el inicio del estado superconductor, y el campo magnético crítico tendrían que incrementarse dramáticamente.

Por muchos años la superconductividad permanecío como un oscuro e intrincado efecto. En 1933 Meissner y Ochsenfeld en Berlín, hicieron otro descubrimiento de fundamental importancia: Ellos observaron que cuando un material superconductor es enfriado en presencia de un campo magnético, por debajo de su temperatura crítica, el flujo magnético es expelido de su interior. Este efecto conocido como efecto Meissner indica que un superconductor se comporta como un diamagneto perfecto. Sin embargo, este efecto no puede ser explicado partiendo de considerar la resistividad cero del material conductor y de las ecuaciones de Maxwell que rigen el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos. Esto significa que el diamagnetismo perfecto (efecto Meissner) junto con la resistividad cero son las propiedades fundamentales del estado superconductor. Superconductores en los cuales la expulsión de flujo es total se conocen como superconductores tipo I y son normalmente los elementos simples en la tabla periódica.

En la década de los 50´s se hacen enormes progresos en la búsqueda de materiales superconductores con temperaturas críticas mayores y campos críticos más intensos, dando lugar a la aparición de superconductores tipo II caracterizados por una expulsión parcial del flujo magnético conservándose la resistividad cero. Este tipo de materiales normalmente son aleaciones intermetálicas que poseen temperaturas críticas más altas y campos magnéticos críticos más intensos que los correspondientes a superconductores tipo I. Los superconductores más usados en la generación de campos magnéticos de varias Teslas son compuestos de Nb-Ti y Nb-Sn.

Sin embargo no es rentable producir en serie estos materiales pues requieren de temperaturas extremadamente bajas para poder adquirir la propiedad de superconducción. Con el paso del tiempo la temperatura necesaria lograba ser aumentada pero aún no en forma significante hasta que cerca de 1993 el grupo de Chu en Texas trabajando en compuestos de mercurio sometidos a presiones mayores que 150 Kbar, lograron llegar a una Tc de 150 K. Sin embargo recientemente se ha logra conseguir una Tc de 132 K a presión ambiente. El compuesto superconductor es del Tipo 2.


Usos de la Superconductividad

En la actualidad se trabaja a marchas forzadas por lograr explicar y aplicar el fenómeno de la superconductividad sin embargo todavia no es tiempo de que podamos gozar directamente de sus beneficios. Aunque sí podemos ver como dada día el margen de aplicaciones crece y se acerca a su uso comercial. Los siguientes son ejemplos de los usos que en la actualidad tiene la supertcondudctividad.

* El SQUID o dispositivo superconductor de interferencia cuántica, fue una de las primeras aplicaciones comerciales de la superconductividad. Basado en las uniones Josephson, son captadores magnéticos extraordinariamente sensibles que permiten medir campos magnéticos y tensiones eléctricas increíblemente débiles, con una resolución del orden del picovoltio, una billonésima de voltio. Los SQUID llevan utilizándose ininterrumpidamente desde los años 60 en multitud de aplicaciones: detección súper precisa de las señales eléctricas del cerebro y el corazón, comprobación no destructiva de tuberías y puentes (la fatiga del metal produce una firma magnética peculiar), paleomagnetismo, sensores geológicos para prospecciones petrolíferas, equipos militares de detección de sumergibles y un largo etcétera.
* En todas aquellas aplicaciones en que sean necesarios campos de una intensidad enorme, los superconductores clásicos no tienen rival. La forma mas evidente de crear un campo magnético es mediante una bobina de cable enrollado, que al ser atravesada por una corriente eléctrica crea un campo directamente proporcional a la intensidad de la misma. Pero el campo máximo que podemos generar no es muy grande, ya que al incrementar la corriente los cables comienzan a calentarse peligrosamente debido a la resistencia eléctrica. Con los superconductores no pasa esto: su resistencia es cero y pueden producir campos magnéticos altísimos. La aplicación típica en este caso son los aceleradores de partículas como el Tevatron del Fermilab en EE.UU. con una capacidad de un teraelectrón voltio (TeV), equivalente a un billón de voltios.
* Los imanes basados en superconductores de alta temperatura todavía están lejos de estos márgenes... aunque ya se pueden conseguir imanes de cerámicas superconductoras que pueden generar un campo de dos teslas, cinco veces mayor que el que se puede conseguir con un imán permanente. Estos imanes se utilizan por ejemplo en los trenes de alta velocidad sobre cojín magnético (MAGLEV). Los trenes tipo SED (suspensión electrodinámica) japoneses pueden desplazarse de 320 a 500 Km/h mediante imanes superconductores que inducen corrientes en las bobinas conductoras de las guías. Esta interacción eleva al vehículo unos 15 cm del suelo, como si fuera un avión en vuelo rasante. A menos de 100 Km/h, este vehículo circula sobre ruedas como un tren convencional.
* Combinación de corrientes y magnetismo para la generación de potencia y trabajo, como motores y generadores eléctricos muchísimo mas eficientes.


El Futuro

Transporte de energía mediante cables eléctricos, transformadores de corriente y conmutadores de potencia. De este modo se podría reducir el recibo de la luz al compensarse el importante porcentaje de energía eléctrica que se disipa en forma de calor debido a la resistencia eléctrica. También podrían utilizarse como limitadores de corriente, proporcionándonos un voltaje mas estable. Hace poco, el Departamento de Energía de Estados Unidos ha anunciado el primer proyecto de uso comercial a gran escala de los superconductores de alta temperatura. Se pretenden instalar cables superconductores de unos 130 metros en una subestación eléctrica de Detroit. Se sustituirán los cables de cobre de tal manera que la nueva instalación albergara una capacidad tres veces mayor (24000 voltios). Sin embargo, el principal inconveniente para que esta prueba se generalice es el alto costo, ya que se han presupuestado unos 5,5 millones de dólares.

Fuente:homepages.mty.itesm.mx
Autor:Genaro Longoria Martínez