QUE SON LOS SUPERCONDUCTORES ?
Los superconductores son unos materiales capaces de permitir el paso de la corriente eléctrica presentando
una resistencia prácticamente nula. Cuando fluye corriente a través de un superconductor, no se produce
ninguna pérdida de energía eléctrica.
Con un oscilador, por ejemplo un columpio, se puede hacer una buena analogía de la superconductividad. Por
muy fuerte que se empuje un columpio, este siempre se acabará deteniéndose. La energía suministrada por
nuestros brazos se perderá por rozamiento de columpio con el aire, y mas significativamente por fricción de
las cadenas o engranajes con la estructura que soporta el columpio, y por efecto de la gravedad terrestre.
Ahora imaginemos un columpio que nunca se detuviera. Una vez empujado seguiría oscilando eternamente.
En un conductor convencional, un impulso de corriente eléctrica se atenuaría rápidamente hasta desaparecer
debido a la resistencia. Sin embargo en un superconductor la corriente puede fluir eternamente, puesto que no
hay nada que se ponga a ello.
Onnes, el físico holandés, continuó sus investigaciones buscando superconductividad en muchos materiales.
En cada caso el material debía ser enfriado a temperaturas próximas al cero absoluto (cero Kelvin). Este
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enfriamiento se realizaba sumergiendo el futuro superconductor en helio liquido. El helio se licua a 4°k. Una
vez el material se había refrigerado a esa temperatura, se convertía en un superconductor.
Aspectos Históricos importantes.
A pesar de la gran importancia de este efecto, no se desarrolló ninguna aplicación útil hasta unas décadas mas
tarde de su descubrimiento. El principal obstáculo que presentaba el desarrollo de aplicaciones era la
necesidad de emplear temperaturas extremadamente bajas. El equipo necesario para hacer el helio líquido que
enfriaba el superconductor a la temperatura requerida era caro y complejo, problema que se sigue presentando
en la actualidad. Otro problema importante era la incapacidad del superconductor para resistir campos
magnéticos intensos.
los principios físicos de la superconductividad no se comprendieron hasta 1957, cuando los físicos
estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se
conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y por la que sus autores recibieron el Premio Nobel
de Física en 1972. La teoría BCS describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los
electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba
satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales
cerámicos. En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la
superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos
superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno,
conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente.
Los científicos han usado electroimanes para generar campos magnéticos desde hace mucho tiempo. Haciendo
fluir corriente eléctrica por un anillo conductor se induce campo magnético. Sustituyendo el conductor por un
superconductor y enfriándolo a la temperatura necesaria, podría ser posible generar campos magnéticos
mucho mas potentes debido a la falta de resistencia, y por tanto de generación de calor en el anillo. Sin
embargo, esto no pudo hacerse en un principio. Cuando el campo magnético alcanzaba una determinada
intensidad, el superconductor perdía sus propiedades y se comportaba como un conductor ordinario. Hasta la
década de los cuarenta no se resolvieron los problemas de los campos magnéticos y solo muy recientemente
se ha superado el problema de las bajas temperaturas.
Figura 2. John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer ganadores del premio nóbel de física en
1972.
Introducción a la superconductividad eléctrica
La Superconductividad Frente al paso de una corriente eléctrica, los metales ofrecen una cierta resistencia:
parte de la electricidad se transforma en calor y ello permite innumerables aplicaciones, como la plancha, la
tostadora o el calefactor eléctrico. Pero, en otros usos de la electricidad, sobre todo en su transmisión a través
de cables, no resulta económico que aquella se pierda en forma de calor. En el año 1911 el físico holandés
Heike Kamerlingh Onnes descubrió que ciertos metales conducen la electricidad sin resistencia siempre y
cuando se los haga "tiritar" cerca de la temperatura mas baja posible, unos 273 grados centígrados bajo cero.
3
Dado que conseguir temperaturas tan bajas resulta muy costoso, el gran objetivo de la ciencia es encontrar
materiales superconductores que operen a temperaturas mas altas. Por ello, en el año 1986 se produjo un
"boom" cuando los físicos K. A. Muller y J. G. Bednorz encontraron que un material cerámico podía ser
superconductor a una temperatura un poco mas alta, unos 240 grados centígrados bajo cero. Desde entonces se
han descubierto un gran numero de compuestos que presentan superconductividad si se los enfría solo con aire
liquido, lo que permitirá aplicaciones tecnológicas prometedoras. ¿Que se hace en superconductividad en
Exactas?
Tipos de superconductores
Existen diferencias importantes entre los superconductores que permiten clasificarlos en dos grandes grupos
como veremos a continuación:
Superconductores tipo I: La categoría de superconductores tipo I está comprendida principalmente por
metales puros los cuales presentan algún tipo de conductividad a temperatura ambiente; estos materiales
requieren increíbles temperaturas de enfriamiento. Esta categoría de materiales fue descubierta primero y a
continuación tenemos una lista de estos materiales con su respectiva temperatura de transición.
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
PLOMO 7.2°K
LANTANO 4.9°K
TANTALIO 4.47°K
MERCURIO (PRIMER ELEMENTO
SUPERCONDUCTOR DESCUBIERTO
EN 1911)
4.15°K
ESTAÑO 3.72°K
INDIO 3.40°K
TALIO 1.70°K
RENIO 1.697°K
PROTACTINIO 1.4°K
TORIO 1.38°K
ALUMINIO 1.175°K
GALIO 1.10°K
GADOLINIO 1.083°K
MOLIBDENO 0.915°K
ZINC 0.85°K
OSMIO 0.66°K
ZIRCONIO 0.61°K
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC ) °K
AMERICIO 0.6°K
CADMIO 0.517°K
RUTENIO 0.49°K
TITANIO 0.40°K
URANIO 0.20°K
HAFNIO 0.128°K
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LUTECIO 0.1125°K
BERILIO 0.1°K
TUNGSTENO 0.026°K
PLATINO 0.0019°K
RODIO 0.000325°K
Tabla 1. Elementos superconductores tipo I
Otros elementos pueden ser llevados a estado de superconductividad por medio de la aplicación de alta
presión cuyo valor puede ser de miles de atmósferas. En la tabla periódica vemos una lista de estos materiales
así como los mencionados anteriormente.
figura 4. Elementos superconductores conocidos
Los superconductores tipo I son llamados superconductores ideales.
Kamerling Onnes también observó que al cualquier temperatura T, tal que T
podía ser destruido por la aplicación de un campo magnético de intensidad mayor que cierto campo magnético
critico.
5
figura 5. Gráfica de Tc VS R de un material superconductor tipo I
Superconductores tipo II. El comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales
superconductores más refractarios es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma como
resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo magnético. A estos
superconductores se les ha dado el nombre de superconductores tipo II.
figura 6. Curva de respuesta T vs R de un material superconductor tipo II
En 1957 por primera vez, el científico soviético Abrikosov Publicó un estudio teórico en el que señalaba que
podía haber otra clase de superconductores con propiedades diferentes de los estudiados hasta entonces. Daba
como característica esencial de estos materiales el hecho de que presentan una energía superficial negativa
para fronteras que separan la parte que se encuentra en estado normal de la parte que se encuentra en estado
superconductor del material.
Es muy importante distinguir entre lo que es el estado mixto y lo que es el estado intermedio. Recuérdese que
el estado intermedio aparece en los superconductores tipo I que lleva a asignarle un valor de factor de
desmagnetización diferente de cero ; el estado mixto por otra parte, es una característica intrínseca de los
superconductores tipo II y que aparece aún si la forma de la muestra es tal que lleve a asignarle un valor de
factor de desmagnetización diferente de cero.
aleacion
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138°K
HgBa2Ca2Cu3O8 133°K−135°K
HgBa2Ca1−xSrxCu2O6 123°K−124°K
HgBa2CuO4 94°K−98°K
6
Tl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10 130°K
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127°K
TlBa2Ca2Cu3O9 123°K
Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox 130°K
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110°K
Bi2Sr2CaCu2O8 80°K
Tabla 2. Algunos superconductores tipo II
Los superconductores son unos materiales capaces de permitir el paso de la corriente eléctrica presentando
una resistencia prácticamente nula. Cuando fluye corriente a través de un superconductor, no se produce
ninguna pérdida de energía eléctrica.
Con un oscilador, por ejemplo un columpio, se puede hacer una buena analogía de la superconductividad. Por
muy fuerte que se empuje un columpio, este siempre se acabará deteniéndose. La energía suministrada por
nuestros brazos se perderá por rozamiento de columpio con el aire, y mas significativamente por fricción de
las cadenas o engranajes con la estructura que soporta el columpio, y por efecto de la gravedad terrestre.
Ahora imaginemos un columpio que nunca se detuviera. Una vez empujado seguiría oscilando eternamente.
En un conductor convencional, un impulso de corriente eléctrica se atenuaría rápidamente hasta desaparecer
debido a la resistencia. Sin embargo en un superconductor la corriente puede fluir eternamente, puesto que no
hay nada que se ponga a ello.
Onnes, el físico holandés, continuó sus investigaciones buscando superconductividad en muchos materiales.
En cada caso el material debía ser enfriado a temperaturas próximas al cero absoluto (cero Kelvin). Este
2
enfriamiento se realizaba sumergiendo el futuro superconductor en helio liquido. El helio se licua a 4°k. Una
vez el material se había refrigerado a esa temperatura, se convertía en un superconductor.
Aspectos Históricos importantes.
A pesar de la gran importancia de este efecto, no se desarrolló ninguna aplicación útil hasta unas décadas mas
tarde de su descubrimiento. El principal obstáculo que presentaba el desarrollo de aplicaciones era la
necesidad de emplear temperaturas extremadamente bajas. El equipo necesario para hacer el helio líquido que
enfriaba el superconductor a la temperatura requerida era caro y complejo, problema que se sigue presentando
en la actualidad. Otro problema importante era la incapacidad del superconductor para resistir campos
magnéticos intensos.
los principios físicos de la superconductividad no se comprendieron hasta 1957, cuando los físicos
estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se
conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y por la que sus autores recibieron el Premio Nobel
de Física en 1972. La teoría BCS describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los
electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba
satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales
cerámicos. En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la
superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos
superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno,
conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente.
Los científicos han usado electroimanes para generar campos magnéticos desde hace mucho tiempo. Haciendo
fluir corriente eléctrica por un anillo conductor se induce campo magnético. Sustituyendo el conductor por un
superconductor y enfriándolo a la temperatura necesaria, podría ser posible generar campos magnéticos
mucho mas potentes debido a la falta de resistencia, y por tanto de generación de calor en el anillo. Sin
embargo, esto no pudo hacerse en un principio. Cuando el campo magnético alcanzaba una determinada
intensidad, el superconductor perdía sus propiedades y se comportaba como un conductor ordinario. Hasta la
década de los cuarenta no se resolvieron los problemas de los campos magnéticos y solo muy recientemente
se ha superado el problema de las bajas temperaturas.
Figura 2. John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer ganadores del premio nóbel de física en
1972.
Introducción a la superconductividad eléctrica
La Superconductividad Frente al paso de una corriente eléctrica, los metales ofrecen una cierta resistencia:
parte de la electricidad se transforma en calor y ello permite innumerables aplicaciones, como la plancha, la
tostadora o el calefactor eléctrico. Pero, en otros usos de la electricidad, sobre todo en su transmisión a través
de cables, no resulta económico que aquella se pierda en forma de calor. En el año 1911 el físico holandés
Heike Kamerlingh Onnes descubrió que ciertos metales conducen la electricidad sin resistencia siempre y
cuando se los haga "tiritar" cerca de la temperatura mas baja posible, unos 273 grados centígrados bajo cero.
3
Dado que conseguir temperaturas tan bajas resulta muy costoso, el gran objetivo de la ciencia es encontrar
materiales superconductores que operen a temperaturas mas altas. Por ello, en el año 1986 se produjo un
"boom" cuando los físicos K. A. Muller y J. G. Bednorz encontraron que un material cerámico podía ser
superconductor a una temperatura un poco mas alta, unos 240 grados centígrados bajo cero. Desde entonces se
han descubierto un gran numero de compuestos que presentan superconductividad si se los enfría solo con aire
liquido, lo que permitirá aplicaciones tecnológicas prometedoras. ¿Que se hace en superconductividad en
Exactas?
Tipos de superconductores
Existen diferencias importantes entre los superconductores que permiten clasificarlos en dos grandes grupos
como veremos a continuación:
Superconductores tipo I: La categoría de superconductores tipo I está comprendida principalmente por
metales puros los cuales presentan algún tipo de conductividad a temperatura ambiente; estos materiales
requieren increíbles temperaturas de enfriamiento. Esta categoría de materiales fue descubierta primero y a
continuación tenemos una lista de estos materiales con su respectiva temperatura de transición.
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
PLOMO 7.2°K
LANTANO 4.9°K
TANTALIO 4.47°K
MERCURIO (PRIMER ELEMENTO
SUPERCONDUCTOR DESCUBIERTO
EN 1911)
4.15°K
ESTAÑO 3.72°K
INDIO 3.40°K
TALIO 1.70°K
RENIO 1.697°K
PROTACTINIO 1.4°K
TORIO 1.38°K
ALUMINIO 1.175°K
GALIO 1.10°K
GADOLINIO 1.083°K
MOLIBDENO 0.915°K
ZINC 0.85°K
OSMIO 0.66°K
ZIRCONIO 0.61°K
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC ) °K
AMERICIO 0.6°K
CADMIO 0.517°K
RUTENIO 0.49°K
TITANIO 0.40°K
URANIO 0.20°K
HAFNIO 0.128°K
4
LUTECIO 0.1125°K
BERILIO 0.1°K
TUNGSTENO 0.026°K
PLATINO 0.0019°K
RODIO 0.000325°K
Tabla 1. Elementos superconductores tipo I
Otros elementos pueden ser llevados a estado de superconductividad por medio de la aplicación de alta
presión cuyo valor puede ser de miles de atmósferas. En la tabla periódica vemos una lista de estos materiales
así como los mencionados anteriormente.
figura 4. Elementos superconductores conocidos
Los superconductores tipo I son llamados superconductores ideales.
Kamerling Onnes también observó que al cualquier temperatura T, tal que T
podía ser destruido por la aplicación de un campo magnético de intensidad mayor que cierto campo magnético
critico.
5
figura 5. Gráfica de Tc VS R de un material superconductor tipo I
Superconductores tipo II. El comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales
superconductores más refractarios es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma como
resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo magnético. A estos
superconductores se les ha dado el nombre de superconductores tipo II.
figura 6. Curva de respuesta T vs R de un material superconductor tipo II
En 1957 por primera vez, el científico soviético Abrikosov Publicó un estudio teórico en el que señalaba que
podía haber otra clase de superconductores con propiedades diferentes de los estudiados hasta entonces. Daba
como característica esencial de estos materiales el hecho de que presentan una energía superficial negativa
para fronteras que separan la parte que se encuentra en estado normal de la parte que se encuentra en estado
superconductor del material.
Es muy importante distinguir entre lo que es el estado mixto y lo que es el estado intermedio. Recuérdese que
el estado intermedio aparece en los superconductores tipo I que lleva a asignarle un valor de factor de
desmagnetización diferente de cero ; el estado mixto por otra parte, es una característica intrínseca de los
superconductores tipo II y que aparece aún si la forma de la muestra es tal que lleve a asignarle un valor de
factor de desmagnetización diferente de cero.
aleacion
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138°K
HgBa2Ca2Cu3O8 133°K−135°K
HgBa2Ca1−xSrxCu2O6 123°K−124°K
HgBa2CuO4 94°K−98°K
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Tl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10 130°K
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127°K
TlBa2Ca2Cu3O9 123°K
Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox 130°K
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110°K
Bi2Sr2CaCu2O8 80°K
Tabla 2. Algunos superconductores tipo II
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