I INTRODUCCIÓN
La materia, como se sabe, se presenta en la naturaleza en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. A éstos hay que sumar uno nuevo: el estado de superconductividad, la superconductividad es uno de los descubrimientos más fascinantes de la ciencia del siglo XX. Pertenece a la familia de descubrimientos de la física capaces de cambiar la manera de vivir de la humanidad que puede definirse como aquel en que la materia no presenta resistencia eléctrica.
II ¿QUÉ ES LA SUPERCONDUCTIVIDAD?
Es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado sólido, en el cual no existe resistencia eléctrica. Esto significa que no hay disipación de energía al pasar corriente eléctrica por un material superconductor.
La desaparición de la resistencia eléctrica no es la única propiedad asombrosa de los superconductores: su comportamiento frente a los campos magnéticos también resulta fascinante. En 1933 Walther Meissner y R. Ochsenfeld descubrieron que un campo magnético aplicado a un superconductor es expulsado completamente del interior de este por debajo de su temperatura de transición superconductora. En su honor este efecto se conoce hoy en día como efecto Meissner y es el responsable de la fotografía típica que todos asociamos con superconductividad: la de un pequeño disco de material superconductor flotando libremente en el aire por encima de un imán - Imagen 1.
Imagen 1,
En la figura podemos ver el comportamiento de un disco de material flotando por encima de un imán, la baja temperatura proporcionada por el nitrógeno hace hace posible que el material flote gracias a las líneas de campo.
Esta combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de estado superconductor.
La superconductividad se logra emparejando dos electrones. "Es como un baile, Si ponemos piedras en medio de un salón de baile, perturbaremos el patrón de movimientos de las parejas, y cuando hemos destruido todas las parejas de electrones, hemos destruido la superconductividad. Pero (y aquí se rompe un poco la analogía con el baile), las piedras, en este caso los átomos dopantes, son un requisito previo para que se inicie el baile de los electrones, así que eliminarlos no es una opción".
II DESCUBRIMIENTO DE LOS SUPERCONDUCTORES
Unos científicos, lograron identificar por vez primera la ubicación de los átomos individuales de oxígeno dentro de la estructura molecular de un superconductor en particular, y usaron la información para examinar cómo esos átomos afectan al flujo de corriente en su vecindad inmediata. Es un paso pequeño pero vital en la comprensión del funcionamiento de los superconductores.
Los superconductores son materiales que conducen la electricidad virtualmente sin resistencia. Los materiales, en este caso los compuestos basados en el cobre (cúpricos) dopados con átomos portadores de cargas como el oxígeno (imagen-2), enfriados a temperaturas sumamente bajas, son muy usados en sectores que van desde el médico hasta el militar. Pero todavía no se comprenden bien sus fundamentos físicos, lo que dificulta alcanzar la meta final, ya de por sí difícil, de crear un superconductor que funcione a temperatura ambiente.
Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que los átomos del dopado, cruciales para determinar la conductibilidad porque atraen electrones y dejan huecos positivamente cargados que permiten que la corriente fluya sin resistencia, son, por otro lado, contraproducentes, porque crean desorden electrónico a nivel atómico. Pero hasta ahora, nadie había podido mirar lo bastante de cerca la estructura atómica para confirmar esta correlación.
Unos investigadores de la Universidad de Cornell, (ubicada en Nueva York, Estados Unidos.) Afrontaron el problema preparando muestras de un superconductor de tipo cúprico, dopado con concentraciones diferentes de átomos de oxígeno. Usando el microscopio STM, que puede medir corrientes circulando a través de áreas menores de un nanómetro de extensión (el ancho de tres átomos de silicio), trazaron un mapa de los materiales según lo bien o mal que fluyó la corriente en cada punto. Encontraron correlación entre las ubicaciones de los átomos de oxígeno, y las áreas de desorden energético que ya habían identificado.
Cuando los átomos del dopado están alejados, las ondas de electrones son homogéneas. Cuando los átomos del dopado están cercanos al área de conducción, sin embargo, las ondas se vuelven drásticamente heterogéneas, provocando el colapso de la superconductividad.
Otros centros que han trabajado en el estudio son la Universidad de California en Berkeley, el Instituto Japonés de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, y la Universidad de Tokio.
En 1986, se produce el hallazgo de los materiales superconductores cerámicos que tienen temperaturas de transición al estado superconductor superiores a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (que es, aproximadamente, de 77 Kelvin o, lo que es lo mismo,
-196°C. Se utiliza la palabra Kelvin para definir la temperatura absoluta), lo que significa una gran simplificación en la construcción de los aparatos en que se emplee el fenómeno de la superconductividad, al compararlas con las temperaturas de transición más altas conocidas anteriormente de 23 Kelvin.
III PARA QUE SIRVEN LOS SUPERCONDUCTORES:
Si algún día los superconductores de temperatura ambiente llaman a nuestra puerta nos veremos inmersos en una revolución tecnología sin precedentes. Pero aunque no lo hagan, ya existen muchos equipos que utilizan la superconductividad en su funcionamiento. A continuación daremos un repaso a las aplicaciones más espectaculares de este fenómeno.
A) 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.
B) APARATOS DE FORMACIÓN DE IMÁGENES POR RESONANCIA MAGNÉTICA
Más conocidos como RMN (imagen 4) Con esta técnica se colocan una sustancia en un campo magnético intenso que modifica el spin de los núcleos de determinados iones. Después, se somete a la muestra a una onda de radio que reorienta los núcleos. Al desaparecer la excitación se libera un pulso de energía que proporciona información sobre la estructura molecular de la sustancia... y que puede transformarse en una imagen mediante técnicas informáticas. El RMN es una herramienta casi indispensable para la formación de imágenes del cerebro, y con el advenimiento de los superconductores de alta temperatura podrá convertirse en una maquina mucho más pequeña y barata: los superconductores clásicos enfriados por helio requieren voluminosos y delicados equipos de refrigeración. En cambio, el nitrógeno líquido es sencillísimo de producir y utilizar.
Imagen 4
Esquema simple de un aparato de resonancia magnética
C) ORDENADORES MÁS RÁPIDOS
Otra aplicación de las uniones Josephson es la posibilidad de fabricar transistores basados en ellas. Estos circuitos podrían activarse y desactivarse muy rápidamente con un consumo de potencia mínimo. En teoría, un ordenador basado en el efecto Josephson sería 50 veces más rápido que uno convencional, aunque hasta hoy no ha sido construido debido a problemas de fiabilidad, de interfaces y a la dificultad de competir con un adversario tan poderoso como los circuitos de silicio (muchísimo mas económicos y sencillos de utilizar).
D) UN CAMPO MAGNETICO INMENSO
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.
E) TRANSPORTE DE ENERGÍA 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 más 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 mayores (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.
También, una de las principales dificultades por vencer, es producir hilos o bandas relativamente flexibles de estos materiales frágiles sin alterar sus propiedades superconductoras.
F) ALMACENAMIENTO DE ENERGIA MEDIANTE SUPERCONDUCTORES MAGNETICOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA
Este sistema consiste en "cargar" una bobina superconductora de electricidad y luego cerrarla formando un anillo. La corriente teóricamente circularía sin perdidas, y cuando hubiera que utilizarla bastaría con abrirla y extraer la cantidad necesaria. Este sistema se ha propuesto, por ejemplo, para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos.
G) INVESTIGACION ESPACIAL
En el espacio, protegidos de la luz solar, es fácil conseguir temperaturas dentro del rango funcional de los superconductores de alta temperatura. En este aspecto la NASA ha financiado diferentes estudios sobre sensores y elementos de actuación electromecánicos con vistas a su utilización en naves espaciales.
IV CONCLUSIÓN
El fenómeno de la superconductividad ya forma parte integrante de nuestras vidas. La resonancia magnética nuclear no habría podido desarrollarse sin su ayuda y constituye un auxiliar indispensable en la investigación científica y tecnológica.
El que consiga o no convertirse en un producto de gran consumo depende exclusivamente de los resultados de la investigación sobre superconductores a temperatura ambiente. En cualquier caso, es evidente que estos materiales supondrán en un futuro inmediato un elemento sumamente importante en nuestra civilización: la era de las tecnologías más allá de la resistencia eléctrica parece encontrarse, en estos momentos, a la vuelta de la esquina y nosotros quienes estamos inmersos en la carrera del saber con la actividad mas cercana a este tema como lo es la ingeniería electrónica nos maravillamos con sus propiedades.
V CIBER BIBLIOGRAFIA
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/064/htm/lossuper.htm
http://www.cibernetia.com/tesis_es/FISICA/FISICA_DEL_ESTADO_SOLIDO/SUPERCONDUCTORES/4
http://www.tribunaantimperialista.cu/libros/Libros_2/ciencia3/064/htm/sec_8.htm
ESTE ES MI PRIMER POST, OJALÁ LES SIRVA Y ME AYUDEN CON ALGUNOS PTS.
SALUDOS
La materia, como se sabe, se presenta en la naturaleza en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. A éstos hay que sumar uno nuevo: el estado de superconductividad, la superconductividad es uno de los descubrimientos más fascinantes de la ciencia del siglo XX. Pertenece a la familia de descubrimientos de la física capaces de cambiar la manera de vivir de la humanidad que puede definirse como aquel en que la materia no presenta resistencia eléctrica.
II ¿QUÉ ES LA SUPERCONDUCTIVIDAD?
Es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado sólido, en el cual no existe resistencia eléctrica. Esto significa que no hay disipación de energía al pasar corriente eléctrica por un material superconductor.
La desaparición de la resistencia eléctrica no es la única propiedad asombrosa de los superconductores: su comportamiento frente a los campos magnéticos también resulta fascinante. En 1933 Walther Meissner y R. Ochsenfeld descubrieron que un campo magnético aplicado a un superconductor es expulsado completamente del interior de este por debajo de su temperatura de transición superconductora. En su honor este efecto se conoce hoy en día como efecto Meissner y es el responsable de la fotografía típica que todos asociamos con superconductividad: la de un pequeño disco de material superconductor flotando libremente en el aire por encima de un imán - Imagen 1.
Imagen 1,
En la figura podemos ver el comportamiento de un disco de material flotando por encima de un imán, la baja temperatura proporcionada por el nitrógeno hace hace posible que el material flote gracias a las líneas de campo.
Esta combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de estado superconductor.
La superconductividad se logra emparejando dos electrones. "Es como un baile, Si ponemos piedras en medio de un salón de baile, perturbaremos el patrón de movimientos de las parejas, y cuando hemos destruido todas las parejas de electrones, hemos destruido la superconductividad. Pero (y aquí se rompe un poco la analogía con el baile), las piedras, en este caso los átomos dopantes, son un requisito previo para que se inicie el baile de los electrones, así que eliminarlos no es una opción".
II DESCUBRIMIENTO DE LOS SUPERCONDUCTORES
Unos científicos, lograron identificar por vez primera la ubicación de los átomos individuales de oxígeno dentro de la estructura molecular de un superconductor en particular, y usaron la información para examinar cómo esos átomos afectan al flujo de corriente en su vecindad inmediata. Es un paso pequeño pero vital en la comprensión del funcionamiento de los superconductores.
Los superconductores son materiales que conducen la electricidad virtualmente sin resistencia. Los materiales, en este caso los compuestos basados en el cobre (cúpricos) dopados con átomos portadores de cargas como el oxígeno (imagen-2), enfriados a temperaturas sumamente bajas, son muy usados en sectores que van desde el médico hasta el militar. Pero todavía no se comprenden bien sus fundamentos físicos, lo que dificulta alcanzar la meta final, ya de por sí difícil, de crear un superconductor que funcione a temperatura ambiente.
Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que los átomos del dopado, cruciales para determinar la conductibilidad porque atraen electrones y dejan huecos positivamente cargados que permiten que la corriente fluya sin resistencia, son, por otro lado, contraproducentes, porque crean desorden electrónico a nivel atómico. Pero hasta ahora, nadie había podido mirar lo bastante de cerca la estructura atómica para confirmar esta correlación.
Unos investigadores de la Universidad de Cornell, (ubicada en Nueva York, Estados Unidos.) Afrontaron el problema preparando muestras de un superconductor de tipo cúprico, dopado con concentraciones diferentes de átomos de oxígeno. Usando el microscopio STM, que puede medir corrientes circulando a través de áreas menores de un nanómetro de extensión (el ancho de tres átomos de silicio), trazaron un mapa de los materiales según lo bien o mal que fluyó la corriente en cada punto. Encontraron correlación entre las ubicaciones de los átomos de oxígeno, y las áreas de desorden energético que ya habían identificado.
Cuando los átomos del dopado están alejados, las ondas de electrones son homogéneas. Cuando los átomos del dopado están cercanos al área de conducción, sin embargo, las ondas se vuelven drásticamente heterogéneas, provocando el colapso de la superconductividad.
Otros centros que han trabajado en el estudio son la Universidad de California en Berkeley, el Instituto Japonés de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, y la Universidad de Tokio.
En 1986, se produce el hallazgo de los materiales superconductores cerámicos que tienen temperaturas de transición al estado superconductor superiores a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (que es, aproximadamente, de 77 Kelvin o, lo que es lo mismo,
-196°C. Se utiliza la palabra Kelvin para definir la temperatura absoluta), lo que significa una gran simplificación en la construcción de los aparatos en que se emplee el fenómeno de la superconductividad, al compararlas con las temperaturas de transición más altas conocidas anteriormente de 23 Kelvin.
III PARA QUE SIRVEN LOS SUPERCONDUCTORES:
Si algún día los superconductores de temperatura ambiente llaman a nuestra puerta nos veremos inmersos en una revolución tecnología sin precedentes. Pero aunque no lo hagan, ya existen muchos equipos que utilizan la superconductividad en su funcionamiento. A continuación daremos un repaso a las aplicaciones más espectaculares de este fenómeno.
A) 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.
B) APARATOS DE FORMACIÓN DE IMÁGENES POR RESONANCIA MAGNÉTICA
Más conocidos como RMN (imagen 4) Con esta técnica se colocan una sustancia en un campo magnético intenso que modifica el spin de los núcleos de determinados iones. Después, se somete a la muestra a una onda de radio que reorienta los núcleos. Al desaparecer la excitación se libera un pulso de energía que proporciona información sobre la estructura molecular de la sustancia... y que puede transformarse en una imagen mediante técnicas informáticas. El RMN es una herramienta casi indispensable para la formación de imágenes del cerebro, y con el advenimiento de los superconductores de alta temperatura podrá convertirse en una maquina mucho más pequeña y barata: los superconductores clásicos enfriados por helio requieren voluminosos y delicados equipos de refrigeración. En cambio, el nitrógeno líquido es sencillísimo de producir y utilizar.
Imagen 4
Esquema simple de un aparato de resonancia magnética
C) ORDENADORES MÁS RÁPIDOS
Otra aplicación de las uniones Josephson es la posibilidad de fabricar transistores basados en ellas. Estos circuitos podrían activarse y desactivarse muy rápidamente con un consumo de potencia mínimo. En teoría, un ordenador basado en el efecto Josephson sería 50 veces más rápido que uno convencional, aunque hasta hoy no ha sido construido debido a problemas de fiabilidad, de interfaces y a la dificultad de competir con un adversario tan poderoso como los circuitos de silicio (muchísimo mas económicos y sencillos de utilizar).
D) UN CAMPO MAGNETICO INMENSO
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.
E) TRANSPORTE DE ENERGÍA 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 más 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 mayores (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.
También, una de las principales dificultades por vencer, es producir hilos o bandas relativamente flexibles de estos materiales frágiles sin alterar sus propiedades superconductoras.
F) ALMACENAMIENTO DE ENERGIA MEDIANTE SUPERCONDUCTORES MAGNETICOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA
Este sistema consiste en "cargar" una bobina superconductora de electricidad y luego cerrarla formando un anillo. La corriente teóricamente circularía sin perdidas, y cuando hubiera que utilizarla bastaría con abrirla y extraer la cantidad necesaria. Este sistema se ha propuesto, por ejemplo, para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos.
G) INVESTIGACION ESPACIAL
En el espacio, protegidos de la luz solar, es fácil conseguir temperaturas dentro del rango funcional de los superconductores de alta temperatura. En este aspecto la NASA ha financiado diferentes estudios sobre sensores y elementos de actuación electromecánicos con vistas a su utilización en naves espaciales.
IV CONCLUSIÓN
El fenómeno de la superconductividad ya forma parte integrante de nuestras vidas. La resonancia magnética nuclear no habría podido desarrollarse sin su ayuda y constituye un auxiliar indispensable en la investigación científica y tecnológica.
El que consiga o no convertirse en un producto de gran consumo depende exclusivamente de los resultados de la investigación sobre superconductores a temperatura ambiente. En cualquier caso, es evidente que estos materiales supondrán en un futuro inmediato un elemento sumamente importante en nuestra civilización: la era de las tecnologías más allá de la resistencia eléctrica parece encontrarse, en estos momentos, a la vuelta de la esquina y nosotros quienes estamos inmersos en la carrera del saber con la actividad mas cercana a este tema como lo es la ingeniería electrónica nos maravillamos con sus propiedades.
V CIBER BIBLIOGRAFIA
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/064/htm/lossuper.htm
http://www.cibernetia.com/tesis_es/FISICA/FISICA_DEL_ESTADO_SOLIDO/SUPERCONDUCTORES/4
http://www.tribunaantimperialista.cu/libros/Libros_2/ciencia3/064/htm/sec_8.htm
ESTE ES MI PRIMER POST, OJALÁ LES SIRVA Y ME AYUDEN CON ALGUNOS PTS.
SALUDOS