Cuando la temperatura desciende por debajo de un valor crítico para muchos materiales, su resistividad eléctrica cae a cero y los materiales se vuelven superconductores. Unos 30 metales puros muestran esta propiedad, a temperaturas inferiores a unos 10°K. Hay aleaciones y compuestos metálicos que presentan superconductividad a menos de 20°K. En 1986 se descubrieron una serie de materiales cerámicos, que a temperatura ambiente son aislantes y superconductores a unos 90°K y que pueden ser enfriados con nitrógeno líquido que es más económico y fácil de manejar que el helio, que era necesario a temperaturas más bajas.
Breve Historia
La superconductividad fue descubierta en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, mientras estudiaba las propiedades de los metales a bajas temperaturas. Unos años antes se había convertido en la primera persona en licuar helio, que tiene un punto de ebullición de 4,2 °K a presión atmosférica, y esto había abierto un nuevo rango de temperatura a la investigación experimental. Al medir la resistencia de un pequeño tubo lleno de mercurio, se sorprendió al observar que su resistencia caía de ~ 0,1 Ω a una temperatura de 4,3 °K, a menos de 3 × 10−5 Ω a 4,1 °K. Esto se ha representado en la Fig.1. Por debajo de 4,1 °K, se dice que el mercurio es un superconductor, y ningún experimento ha detectado aún resistencia al flujo de corriente constante en un material superconductor. La temperatura por debajo de la cual el mercurio se vuelve superconductor se conoce como temperatura crítica Tc. Kamerlingh Onnes recibió el Premio Nobel de Física en 1913 "por sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas que condujeron, entre otras cosas , a la producción de helio líquido" (cita del Premio Nobel).
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Fig. 1 -Experiencia de Heike Kamerlingh Onnes enfriando el mercurio por debajo de su Tc |
Como el superconductor no tiene resistencia, puede conducir corriente indefinidamente sin pérdida de energía, siempre que se mantenga su temperatura por debajo de la Tc. Una vez iniciada la corriente y retirada la fuente, dura indefinidamente dentro del superconductor.
El efecto Meissner-Ochsenfeld
El efecto Meissner-Ochsenfeld fue descubierto por los físicos alemanes Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933, unos 12 años después de haberse descubierto la superconductividad (en 1911).
Hasta ese momento sólo se conocía que un superconductor no tenía resistividad eléctrica cuando era enfriado por debajo de su Tc. Parecía un “conductor perfecto” hasta que se descubrió que no era tal cosa. Un superconductor como el mercurio bajo 4,1°K, o el aluminio bajo 1,2°K o el estaño bajo los 3,7° K, además de no tener resistividad, cuando se le aplica un campo magnético se observa que el material genera una corriente superficial que rechaza el campo, mediante la creación de un campo de sentido contrario, por la ley de Lenz, porque el campo fue variable desde cero hasta un cierto valor, resultando que en el interior del superconductor el campo magnético es nulo. Esto mismo ocurrirá para un conductor perfecto.
El experimento se puede hacer de dos modos: primero enfriar y luego aplicar campo magnético, o al revés.
Si primero se enfría el material, se produce la transición de material normal a superconductor. Luego se aplica el campo magnético y se observa que el campo no puede penetrar. Este fenómeno particular suele confundirse con el “Efecto Meissner”. Sin embargo esto también sucedería con un conductor perfecto (suponiendo que existiera tal cosa).
La otra forma de hacer el experimento es la que demuestra el Efecto Meissner. Primero se aplica campo magnético cuando el material es normal. Por lo tanto, el campo penetra en su interior. Luego se enfría hasta que se produce la transición superconductora. Aquí un conductor perfecto mantendría el campo en el interior, sin embargo en un superconductor el campo que había en el interior resulta expulsado violentamente. Éste es el fenómeno que fue descubierto por Meissner y Ochsenfeld. Ver Fig.2.
Ese campo en sentido contrario, también está presente en el exterior y produce una repulsión entre el imán que produjo el campo aplicado y el superconductor, dando lugar a levitación magnética de uno de ellos con respecto al otro.
NOTA IMPORTANTE: Lo que se acaba de explicar es en relación a los superconductores que ahora se denominan “tipo-I” (los que no sirven para las aplicaciones de potencia, donde se requiere que grandes intensidades de corriente circulen sin disipación). En 1934 se descubrió que existía otro tipo de superconductores (tipo-II, como por ejemplo el Nb3Ge que es superconductor bajo 23°K) que permite la entrada de líneas elementales de campo magnético (fluxones), en una forma particular.
Se puede acceder a un video para ilustrar el efecto Meissner en el siguiente link:
https://www.youtube.com/watch?v=Z4XEQVnIFmQ How Superconducting Levitation Works |
Fig. 2 - El efecto Meissner: a la izquierda con temperatura mayor que la crítica se aplica un campo magnético y a la derecha el resultado de enfriar el material por debajo de la temperatura crítica con el campo magnético aplicado previamente. |
En 1986 K.A. Muller y J.G. Bednorz descubrieron una nueva familia de compuestos cerámicos cuya temperatura crítica era notablemente superior a todas las anteriores. A partir de este hecho, numerosos investigadores en todo el mundo se han lanzado a descubrir compuestos con temperaturas críticas más altas. En pocos años se han encontrado compuestos con Tc cerca de los 140°K.
A estas temperaturas, el ahorro de energía, usando superconductores, puede ser superior al costo de refrigerarlos y por lo tanto los diseños de dispositivos con superconductores pueden ser competitivos a nivel industrial. Pero todos los materiales cerámicos son frágiles y poco dúctiles, lo que dificulta de forma extraordinaria la fabricación de cables.
Superconductores Tipo I y Tipo II
El estado superconductor es destruido, cuando el material está por debajo de su temperatura crítica, solamente si se aplica un campo magnético externo lo suficientemente intenso (llamado campo crítico, Bc) o bien, si se hace pasar por él una corriente eléctrica intensa (llamada corriente crítica, Ic). En los superconductores Tipo I, la interrupción de la superconductividad se da de manera abrupta; mientras en los Tipo II, esto sucede de manera paulatina; en ellos, el campo va penetrando poco a poco en tubos cilíndricos llamados vórtices.
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| Fig.3 - Curvas de magnetización para superconductores tipo 1 y tipo 2. (Magnetización negativa = levitación). |
En el superconductor Tipo I, el campo magnético externo es expulsado del material mientras dicho campo no exceda Bc; si el campo sobrepasa ese límite la superconductividad es destruida y el campo penetra completamente en la muestra. Por otro lado, en el superconductor Tipo II, el campo magnético es expelido del material mientras su valor esté por debajo de un campo crítico 1 (Bc1) (estado Meissner); al alcanzar el campo externo una magnitud mayor a Bc1, se inicia la penetración magnética, coexistiendo el estado superconductor alrededor de los vórtices, como se muestra en la Fig. 4. Es el llamado estado mixto o estado vortex o de vórtices (Mixed state en la Fig.3)
Fig. 4 - Visualización de los vórtices en material de Tipo II
El área cubierta por los vórtices es cada vez mayor hasta el momento en que el campo sobrepasa un valor Bc2 (campo crítico 2); en ese momento se rompe el estado superconductor y el campo magnético penetra completamente en el material. Es necesario remarcar que la penetración magnética en los superconductores Tipo II se produce a través de vórtices que se distribuyen en una red triangular a lo largo y ancho de la muestra. Son las zonas rodeadas por las corrientes circulares (screening current) las que están en el estado normal. Es esta penetración lo que hace que la levitación en este tipo de compuestos sea muy estable. Los superconductores de alta temperatura crítica son del Tipo II. (Fig.5)
ig.5 - Las corrientes circulares rodeando las zonas
normales con el campo de los vórtices
En el estado mixto se dan tanto fuerzas de atracción puramente magnéticas (como las que se pueden dar entre un imán y un elemento ferromagnético) como fuerzas de repulsión Meissner. La combinación de ambas fuerzas se utiliza para conseguir sistemas de levitación estables pasivos, evitando la necesidad de control externo.
Debido al alto campo magnético crítico, los superconductores Tipo II se pueden usar para fabricar electroimanes, que se utilizan para producir campos magnéticos fuertes.
La curva de la Fig.6, limita el Estado Meissner del estado normal de un material superconductor Tipo I, de modo que en todos los puntos encerrados por la curva, el material se encontrará en estado Meissner y fuera de ella en estado normal (no superconductor).
Fig.6 - Variación de B con la temperatura T
para un superconductor Tipo I.
Las curvas de la Fig. 7 delimitan los estados Meissner, del Vortex y del estado normal de un material superconductor Tipo II
Fig.7 - Variación de B en función de
la temperatura para un superconductor Tipo II
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