Introducción
La superconductividad ademas de ser un gran descubrimiento en la ciencia moderna es también un gran tema de interés para el publico en general nosotros elegimos investigar sobre este tema ya que es de gran interés y mas aun cuando no se tiene conocimiento alguno del tema ya que nos resulto interesante saber de lo que se trata este tema, cuando elegimos este tema lo único de lo que teníamos conocimiento era de lo que viene siendo un conductor de electricidad como lo es el cobre, el oro , el metal, entre otros de ellos.
En este informe vamos a hablar de lo que es la superconductividad a temperatura ambiente, en donde es utilizada como es que ocurre dicho suceso y para que puede ser utilizada y por ultimo que beneficios nos trae a nosotros como sociedad, pero así como nos puede ayudar también hablaremos de como es que nos perjudica.Como se podrán dar cuanta existen distintos materiales que posen esta característica de la superconductividad pero solo les hablaremos de algunos de estos materiales con dicha característica ya que pues este tema es bastantemente amplio.
Desarrollo
Superconductividad
El superconductor es un adjetivo que se aplica en aquellos materiales que, al ser enfriados, dejan de ejercer resistencia al paso de la corriente eléctrica. De este modo, a una cierta temperatura, el material se convierte en un conductor eléctrico de tipo perfecto, la superconduvtividad, por lo tanto es una propiedad de algunos materiales, las sustancias que pueden actuar como superconductores son aquellas que, en condiciones especificas, pueden conducir la corriente sin que se produzca perdida energética ni se ejerza resistencia. El científico Heike Kamerlingh Onnes descubrió, en 1911, que los conductores metálicos pierden resistividad cuando disminuye la temperatura, al descender por den¡bajo de una temperatura calificada como critica, la resistencia se anula por completo. De esta manera, la corriente eléctrica puede fluir de forma indefinida a través del superconductor incluso sin la acción de una fuente de alimentación. Es importante establecer que los materiales superconductores se pueden clasificar según varios criterios relevantes, como son los siguientes: -Si tenemos en cuenta su material, podemos decir que hay cuatro grandes grupos: las cerámicas, las aleaciones, los que poseen estructuras de carbono y los elementos puros.-Partiendo de lo que es su comportamiento físico, se puede determinar que hay dos clases de superconductores: los de tipo I, que tienen la particularidad de poder pasar del estado superconductor al normal de una forma muy rápida, y los de tipo II. Estos últimos son los que tienen, como se denomina por parte de los científicos, dos campos magnéticos críticos.-En función de lo que es su temperatura critica, hay dos modalidades: los de alta temperatura, si la misma esta por encima de los 77k, y los de baja temperatura que se caracterizan por tenerla por debajo de los ya citados 77k.-Por ultimo, otra clasificación existente es la que se basa en la teoría que viene a explicarlos y que determina que pueden ser convencionales, cuyos orígenes están en los fonones, y no convencionales, cuando el citado origen que tienen es otro distinto a los citados.
El aluminio y el estaño son dos ejemplos de materiales superconductores, es habitual que los materiales se enfríen con helio liquido para que puedan alcanzar la mencionada temperatura critica, cuando el material se transforma en superconductor, puede emplearse para el desarrollo de circuitos y electro imanes.
Actualmente, entre las aplicaciones mas útiles y interesantes que se les da a los mencionados materiales superconductores destacan las siguientes: -dentro del ámbito medico se han empleado para poder solucionar a neurismas sin necesidad de emplear cirugía, para extraer tumores e incluso para poder corregir arterias que habían sufrido algún daño. -en el campo científico, se han usado y se siguen usando para cometer estudios del crecimiento de plantas.
Se espera que, en el futuro, los superconductores se empleen para construir motores eléctricos y para crear equipos que permitan almacenar energía, entre otras aplicaciones.Cabe destacar por ultimo, que se conoce como superconductores de alta temperatura a los materiales que cuentan con una temperatura critica superior a la temperatura de ebullición que tiene el nitrógeno o que no cumplen con la teoría BCS desarrollada en 1957 para explicar la superconductividad.\cite{merino2014}
El doctor H. Kamerlingh Onnes (1856 - 1926), de la Universidad de Leiden en Holanda, trabajó a principios del Siglo XX en la investigación de las propiedades de la materia a bajas temperaturas. Sus esfuerzos hicieron posible la producción de helio líquido en 1908, y posteriormente le condujeron al descubrimiento de la superconductividad en el mercurio al ser enfriado a -269ºC. Por estos trabajos de investigación se le concedió el Premio Nobel de Física en 1913.
Pero hasta 1957 no se pudo comprender el origen de este fenómeno. J. Bardeen, L. Cooper y R. Schrieffer enunciaron la teoría conocida como BCS, en la que se postulaba que en un superconductor los entes que transportaban la corriente eran parejas de electrones conocidos como pares de Cooper. También ellos fueron galardonados con el Premio Nobel en 1972. El último gran hito de la superconductividad tuvo lugar en 1986 cuando J. C. Bednorz y K. A. Müller, en unos laboratorios de IBM en Suiza, descubrieron los materiales superconductores cerámicos. Estos materiales han revolucionado el mundo de la superconductividad al poder trabajar a temperaturas por encima de la de ebullición del nitrógeno líquido (-169ºC), lo que permite enfriarlos con mucha facilidad y de forma barata. Estos dos científicos también recibieron el premio Nobel en 1987.
¿Que es superconducticidad?
Para entender lo que se oculta tras ese nombre debemos intentar recordar algunos conceptos básicos. Los metales son materiales que conducen bien el calor y la electricidad, y que cuando una corriente eléctrica circula por un hilo conductor, éste se calienta, como ocurre con las estufas y calentadores eléctricos. El fenómeno descrito, conocido como efecto Joule, se debe a que los metales presentan cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica por su interior, ya que cuando se mueven, chocan con los átomos del material que están vibrando. En un material superconductor esto no ocurre, estos materiales no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica continua por debajo de una cierta temperatura. Los electrones se agrupan en parejas interaccionando con los átomos del material de manera que logran sintonizar su movimiento con el de los átomos, desplazándose sin chocar con ellos.
Algunas aplicaciones de los superconductores Materiales Superconductores: La producción de grandes campos magnéticos: Un ejemplo de la aplicación de estos grandes campos magnéticos son los equipos de resonancia magnética que se utilizan en investigación y los comúnmente utilizados en los hospitales. Conducir corriente eléctrica sin pérdidas: Los superconductores permiten conducir la corriente eléctrica sin pérdidas, por lo que pueden transportar densidades de corriente por encima de 2000 veces lo que transporta un cable de cobre. Si contásemos con generadores, líneas de transmisión y transformadores basados en superconductores, obtendríamos un gran aumento de la eficiencia, con el consecuente beneficio medioambiental que supondría el ahorro de combustible, así como su idoneidad para ser utilizado junto con energías alternativas. También podemos encontrar materiales superconductores en dispositivos electrónicos. Entre ellos destacan los llamados SQUIDS, con los que podemos detectar campos magnéticos inferiores a una mil millonésima parte del campo magnético terrestre. Entre otras aplicaciones, se están desarrollando con ellos estudios geológicos, o incluso encefalogramas sin necesidad de tocar la cabeza del enfermo.
Al colocar un material superconductor a temperatura ambiente sobre una configuración de imanes, el campo magnético penetra totalmente en el superconductor. Después de enfriarlo con nitrógeno líquido y alcanzar la temperatura crítica, es decir, el estado superconductor, casi todo el campo magnético permanece dentro del superconductor, es decir “recuerda” el campo en el que ha sido enfriado y se opone a cualquier variación del mismo. Si en este estado tratamos de alejarlo del imán, encontraremos una fuerza atractiva entre ambos, de manera que el superconductor arrastrará al imán. Si hemos colocado el superconductor a una cierta altura sobre el imán y lo enfriamos, éste no sólo recordará el campo, sino también la altura, en la que se mantendrá levitando mientras esté por debajo de la temperatura crítica.\cite{ycsic2012}
Los materiales superconductores no presentan en determinadas condiciones ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica, lo que hace que no se calienten por efecto Joule, por lo que no existen pérdidas de energía. Este fenómeno se produce al enfriarlo por debajo de su Temperatura Crítica (TC) en la que los electrones agrupados en parejas se desplazan por el conductor sin chocar con los átomos del material de que se trate (pares de Cooper). Esta temperatura como es sabido es característica de cada material superconductor. En el inicio del descubrimiento de las características este tipo de materiales estuvo unido a la obtención de esas bajas temperaturas en el laboratorio a partir de las cuales se pudo ensayar y conocer el comportamiento de sus parámetros. En su origen se utilizó helio líquido que licua a una temperatura de 4º K sumergiendo el material dentro del mismo y analizando sus propiedades. Al enfriar el material superconductor por debajo de TC situándolo en el interior de un campo magnético, se generan en este una corriente de apantallamiento cuyo campo generado se opone al aplicado hasta un valor denominado campo crítico en el que vuelve a comportarse como en su estado normal. Fue H. Kamerling Omnes de la Universidad de Leiden quien investigo primero la producción de helio líquido en 1908. Tres años más tarde, investigando sobre las variaciones de las propiedades del Hg con la temperatura, descubrió la superconductividad en este metal al enfriarlo a una temperatura de -269º C. Es importante señalar que al ser en un superconductor el valor de R = 0, una vez aplicada una corriente ésta fluye por el conductor de forma permanente sin que se precise diferencia de potencial aplicada. El descubrimiento del fenómeno de la superconductividad se debe pues a este físico holandés. De su biografía, decir que de 1871 a 1873 estudió en la Universidad de Heidelberg, donde fue alumno de los físicos alemanes Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff, y se doctoró en la Universidad de Groninga (1879). De 1878 a 1882 fue profesor en la Escuela Politécnica de Delft, puesto que dejó ese mismo año para ocupar el de profesor de física en la Universidad de Leiden hasta que se retiró en 1923 Así pues la mayoría de los superconductores manifiestan sus propiedades solo a temperaturas muy bajas y próximas al cero absoluto. Al subir la temperatura y llegar a la temperatura crítica empiezan a perder sus propiedades características y vuelven a recuperar las propias del material de que se trate. Por el contrario, cuando la temperatura desciende por debajo del punto crítico disminuye su resistencia y la corriente puede llegar a circular por el material sin resistencia alguna.
Campos magnéticos En principio la superconductividad puede considerase como una transición de fase que se produce bien por aumento de la temperatura, por variación del campo magnético aplicado hasta un valor determinado, o por el paso de una densidad de corriente mayor de un determinado valor a causa de los cuales el superconductor pasa de nuevo a estado normal en el que va a conducir de nuevo con un cierto valor de resistencia. El estado superconductor no solo se caracteriza por una resistencia nula, sino también por la respuesta de a los campos magnéticos que se le aplican. El campo magnético aplicado puede tener la suficiente intensidad para alcanzar la transición de fase y penetrar en el material, o bien que el superconductor se proteja del campo magnético aplicado y aparezcan corrientes superconductoras internas que apantallen el campo externo y le impidan penetrar en el material. Por lo anterior decir que un material superconductor no solamente no presenta resistencia al paso de corriente, sino que también tiene otra propiedad importante que es su capacidad para apantallar un campo magnético. Si enfriamos el superconductor por debajo de su temperatura crítica y lo colocamos en presencia de un campo magnético, éste crea corrientes de apantallamiento capaces de generar un campo magnético opuesto al aplicado. Esto ocurre hasta que el campo magnético alcanza un valor, llamado campo crítico, momento en el que el superconductor deja de apantallar el campo magnético y el material transita a su estado normal. En estas condiciones de temperatura no solamente son capaces de transportar energía eléctrica sin ningún tipo de pérdidas, sino que además poseen la propiedad de rechazar las líneas de un campo magnético aplicado. Se denomina “Efecto Meissner” a esta capacidad de los superconductores de rechazar un campo magnético que intente penetrar en su interior; de manera que si acercamos un imán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la sobreelevación (levitación) del mismo. Hoy día el uso más extendido de ese fenómeno se da en los trenes de levitación magnética. El hecho de que el superconductor pueda apantallar totalmente el campo magnético de su interior se conoce como supercondutividad tipo I. Lamentablemente el campo crítico de estos materiales es tan pequeño que no se pueden desarrollar aplicaciones tecnológicas con ellos. Los de “Tipo 1” y como se ha dicho son aquellos que no permiten en absoluto que penetre el campo magnético externo. Algunos elementos metálicos como el plomo, estaño, mercurio y el aluminio pertenecen a este grupo. Son conocidos como “perfectos”. Al superar la temperatura crítica que es muy baja (no superior a los 7 Kelvins), se produce una ruptura brusca del estado superconductor al contrario que los del tipo II que tienen dos temperaturas criticas Tc1 y Tc2 entre las cuales se halla mezclado el estado superconductor y el estado normal.
Tren de levitación magnética de alta velocidad El transporte de levitación magnética, o Maglev (Magnetically Levitated), es un sistema de transporte que incluye la suspensión, guía y propulsión de vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión a base de levitación magnética (sobreelevación sobre el elemento guía). Dentro de este tipo de transporte, además del tren, se incluyen también las montañas rusas y la propulsión de naves espaciales que actualmente se encuentran en estudio. Un tren de levitación magnética es un vehículo que viaja suspendido sobre el carril (algunos de estos trenes van a 1 cm por encima de la vía y otros pueden levitar hasta 15 cm) y que se desliza a lo largo del mismo. Potencialmente puede alcanzar en vacío la velocidad de 6.400 km/h pero debido al rozamiento del aire la velocidad registrada hasta ahora es de 581 km/h, logrado en Japón en 2003, aunque se sabe pueden alcanzar los 650 km/h.\cite{sanchez2012}
Todos sabemos que el consumo de energía mundial está en aumento (se espera que aumente en un 50% para el año 2030, según informes de la Energy Information Administration de los EEUU) y también somos concientes de que cómo proveer esta energía y cómo distribuirla es una de las principales cuestiones a resolver en la actualidad. En este sentido, los materiales superconductores pueden jugar un rol importante en los aspectos relacionados con la transmisión de energía eléctrica, su almacenamiento y la generación de altos campos magnéticos.
¿Por qué?
Existen dos principales razones:
- No presentan resistencia al paso de corriente eléctrica. Es decir que, al no sufrir pérdidas por calor, estos materiales pueden mantener corrientes eléctricas de forma indefinida, sin recibir energía de una fuente externa.
- Expulsan por completo todo campo magnético externo, lo que permite que un imán “levite” sobre un material superconductor. Esto permite pensar en aplicaciones de transporte en las cuales la única resistencia a vencer es la del aire.
¿A que costo?
Éste es un problema: los materiales deben estar por debajo de una cierta temperatura crítica que está muy por debajo de la temperatura ambiente. De hecho en los orígenes de la superconductividad (este fenómeno fue descubierto por el físico holandés y premio nobel, Kamerlingh-Onnes en 1913), tal temperatura era cercana al cero absoluto, lo que implicaba refrigerar los materiales con helio líquido. Con las investigaciones en diferentes materiales a lo largo de los años esta temperatura crítica ha podido aumentarse “enormemente” desde 5 grados Kelvin a valores mayores a los 130 K, permitiendo emplear nitrógeno líquido como refrigerante (77 K), que es más abundante y barato que el helio.
Actualmente quizá las dos aplicaciones más popularizadas de la superconductividad son el LHC (Large Hadron Collyder) que se está empleando para el estudio de colisiones de partículas elementales; y los trenes Maglev, como el que transporta pasajeros a lo largo de 30 km con velocidades máximas de 430 km/h en la ciudad de Shangai. Sin embargo, más allá de algunas aplicaciones específicas y de alto costo, la gran limitación es la baja temperatura a la que deben trabajar estos materiales.
El desafío: Obtener materiales que desarrollen superconductividad a temperaturas cercanas a la ambiente. Si esto se consiguiera se abrirían un sinfín de posibilidades y de “aplicaciones soñadas” como ser el diseño de sistemas de transporte levitantes de bajo consumo y no contaminantes, el aumento de la capacidad eléctrica de ciudades simplemente reemplazando los cables de cobre por cables superconductores, el transporte de energía en grandes distancias sin pérdidas (actualmente son de un 20%), la construcción de equipos de tomografía portátiles y de bajo costo, fabricación de supercomputadoras del tamaño de una caja de zapatos que podrían realizar un teraflop (1012) de operaciones por segundo, o de superconductores mil veces más rápidos y menos calientes que los actuales, la creación de “botellas magnéticas” para almacenamiento de energía, generación de energía por procesos de fusión nuclear controlada, o la construcción de aceleradores de partículas elementales de menor tamaño a los actuales.
Entonces la superconductividad a temperatura ambiente… ¿Es una meta alcanzable o sólo ciencia-ficción? Si bien existen opiniones divididas en cuanto a la respuesta a esta pregunta, un ejemplo de visión optimista la da Jorge Ossandón Gaete, nacido en chile y doctor en Física de la University of Tennessee at Knoxvill: “Queda aún un largo camino por recorrer, pero la carrera ya está lanzada y falta esperar con paciencia su culminación. Al igual que tuvieron que transcurrir un par de décadas cuando se descubrió el rayo láser en 1960 antes que surgieran sus primeras aplicaciones (y hoy en día el rayo láser está en miles de utensilios del diario vivir), así también deberán pasar un par de décadas para ver las aplicaciones de los nuevos superconductores en nuestra vida diaria. En veinte años los trenes levitantes serán una realidad cotidiana, los scanner de resonancia magnética nuclear estarán en todos los hospitales, los dispositivos serán parte habitual de computadores, instrumentos médicos, amplificadores y de todo tipo de equipos electrónicos.”\cite{jovenes2010}
Investigación en superconductores en el ICMM-CSIC
Se espera que los materiales superconductores desempeñen un papel muy importante en el ámbito de la energía durante la próxima década. Su uso puede ser muy relevante en el ámbito de las energías renovables (construcción de aerogeneradores para molinos de viento y acumuladores de energía que resuelvan el problema de la intermitencia) y en el transporte de electricidad. En el ICMM hay un grupo de investigación en superconductividad de alta temperatura crítica. La superconductividad, propiedad que hace que algunos materiales no presenten resistencia a la corriente eléctrica por debajo de una temperatura crítica, se descubrió en 1911. En la década de los 50 se presentó la teoría BCS, que explica la superconductividad en términos de la formación de pares de electrones (pares de Cooper). La formación de dichos pares se veía favorecida por la interacción de los electrones y la red de átomos. Esta teoría ha sido aplicada con gran éxito en la mayoría de los superconductores de baja temperatura crítica. En 1986 se produjo una gran sorpresa cuando Berdnorz y Müller descubren superconductividad de alta temperatura en óxidos de cobre, cupratos. No fue hasta 2008 que, de nuevo por sorpresa, se descubrió una segunda familia de superconductores de alta temperatura crítica, en este caso basados en hierro. En ambas familias la superconductividad aparece al dopar químicamente un compuesto magnético. Además de permitir el desarrollo de aplicaciones por encima de -196ºC (la temperatura a la que se licúa el nitrógeno) los superconductores de alta temperatura se han convertido en un problema fascinante desde el punto de vista de la física fundamental. A día de hoy no se conoce aún el mecanismo que origina la superconductividad en los superconductores de alta temperatura, ni tampoco las anómalas propiedades que presentan en el estado normal. La comprensión del mecanismo de la superconductividad de alta temperatura se encuentra entre los problemas fundamentales de la ciencia. Su entendimiento podría además permitir diseñar nuevos materiales superconductores, incluso conocer la clave de la tan buscada superconductividad a temperatura ambiente. \cite{calderon2012}
Superconductividad o ¿cómo se pueden atraer dos electrones?
Cuando escuchamos la palabra “súper” lo primero que nos viene a la mente es que nos encontramos ante un personaje o un fenómeno extraordinario. Ejemplos de estos seres extraordinarios son “las chicas superpoderosas”, las cuales poseen una fuerza descomunal gracias al componente químico “x”, o Superman, quien puede desafiar a la gravedad o tiene vista de rayos-x (fig. 1). Aunque estos son ejemplos de ficción, en este artículo se presentan datos básicos para entender por qué algunos materiales, bajo ciertas condiciones, tienen propiedades extraordinarias, tales como flotar en el aire o permitir la visión de rayos-x. Estos materiales se llaman “superconductores”, y fueron descubiertos en 1911. Un ejemplo de estos materiales es el compuesto La2CuO4, en el que algunos átomos de lantano (La) se han sustituido por átomos de estroncio (Sr), cuyo descubrimiento a finales de la década de los años ochenta inició el estudio de la superconductividad de alta temperatura crítica. Dicho fenómeno es aún investigado activamente por la comunidad mundial de físicos y químicos. Hasta la fecha se ha descubierto que varios elementos químicos en forma pura poseen superconductividad, aunque algunos de ellos sólo exhiben esta propiedad en circunstancias extremas, como presiones muy altas o temperaturas muy cercanas al cero absoluto. Esta propiedad, aunque parece extraordinaria, puede ser más común de lo que pensamos. Las características de los materiales superconductores que hemos discutido, cero resistencia eléctrica y efecto Meissner, ya han conducido desde los años de la década de 1990 a su aplicación en medicina, en el transporte, y ahorro de energía. Las aplicaciones principales han sido la resonancia magnética nuclear, los trenes ultrarrápidos, la imagenología magnética y el diseño de computadoras ultrarrápidas. Una limitación en la aplicación de estos materiales es que este fenómeno sólo se da a temperaturas muy bajas, y por lo tanto su uso tiene que darse en condiciones de refrigeración y asilamiento térmico extremas y requiere del uso de helio líquido para enfriar, lo cual hace que su empleo sea muy caro. Por esta razón, desde el descubrimiento de este fenómeno ha sido una meta de los científicos que trabajan en él encontrar materiales que sean superconductores a temperatura ambiente. Aplicaciones de superconductores. Imagen del cerebro humano obtenida por resonancia magnética nuclear. Tren ultrarrápido basado en la levitación. Bednorz y Müller descubridores de los superconductores de alta temperatura crítica en 1986. Hasta ahora el superconductor de temperatura crítica más alta es un óxido de cobre y mercurio, con una temperatura de transición de 138 °K. En 1986 el físico suizo Alex Müller y el físico alemán Georg Bednorz descubrieron una serie de superconductores que presentan superconductividad a temperaturas incluso superiores a la del nitrógeno líquido (-196 oC). Este descubrimiento permitió el uso de materiales semiconductores en mayor número de aplicaciones, ya que la producción de nitrógeno líquido y la refrigeración a estas temperaturas es mucho más barata que para los otros superconductores, que requieren temperaturas cercanas al helio líquido para exhibir superconductividad. Este descubrimiento también revivió el interés por encontrar materiales que puedan ser superconductores a temperatura ambiente. Estos materiales son conocidos como “superconductores de alta temperatura crítica”, y actualmente constituyen un tema importante de investigación en la comunidad internacional \cite{leon2006}