Superconductividad hoy en día

Hoy en día sin embargo, la superconductividad se está aplicando a muy diversas áreas como por ejemplo: medicina, aplicaciones militares, transporte, producción de energía, electrónica, entre otras.

La ciencia de la superconductividad

Los superconductores tienen la capacidad de conducir electricidad sin pérdida de energía. Cuando la corriente fluye en un conductor ordinario, por ejemplo el alambre de cobre, se pierde una cierta cantidad de energía debido a la resistencia.

La ciencia de la superconductividad

- El comportamiento de electrones dentro de un superconductor es sumamente diferente a lo que se da en un conductor regular.

- Las impurezas y rosamiento todavía están allí, pero el movimiento de los electrones superconducidos cambia.

- Cuando los electrones son superconducidos viajan a través del conductor sin obstáculo alguno en el complejo enredaje del cable.

- Debido a que no topan en nada y por ello no crean ninguna fricción, no existe resistencia ni pérdida de energía.

- La comprensión de la superconductividad avanzó importantemente para 1957 gracias a tres físicos americanos, Juan Bardeen, Leon Cooper y Juan Schrieffer, con su teoría de la superconductividad, conocida como la teoría de BCS.

Bardeen, Cooper, and Schrieffer, respectivamente.

Fuente: Fundación Nobel

- La teoría de BCS explica como se da la superconductividad en las temperaturas cerca del absoluto cero.

- Cooper se dio cuenta que las vibraciones atómicas eran directamente responsables de unificar enteramente la corriente.

- Forzaron a los electrones para separarse en equipos que podrían pasar todos los obstáculos que causaban resistencia en el conductor.

- La teoría de BCS demuestra con éxito que los electrones se pueden atraer a uno otro a traves de interacciones en el enrejado cristalino. Esto ocurre a pesar del hecho de que los electrones tienen la misma carga.

- Cuando los átomos del enrejado oscilan entre las regiones positivas y negativas, el par de electrones se junta y se separa alternativamente sin que exista colisión alguna.

- La formación de pares de electrones es favorable porque tiene el efecto de poner el material en un estado más bajo de la energía.

- Cuando los electrones se ligan juntos en pares, se mueven a través del superconductor en una manera ordenada.

- Uno puede imaginar un metal como enrejado de iones positivos, que pueden moverse como si estubiesen unidos por los resortes. Los electrones que se mueven a través del enrejado constituyen una corriente eléctrica.

- Normalmente, los electrones se rechazan y son dispersados por el enrejado, creando resistencia.

- Cuando un electrón pasa y es atrío hacia esta región positiva gracias a la superconductividad le sigue un segundo electrón y ellos viajan juntos a través del enrejado.

En terminos simples. . .

- Cuando los átomos se unen para formar un sólido, crean lo qué se llama un enrejado. Un enrejado es como una selva que liga todos los átomos juntos. La electricidad puede moverse a través de un enrejado usando las partes externas de los átomos - los electrones. Pero imagínese que la selva se está sacudariendo. Esto haría muy difícil que una persona pase por medio de esta selva, especialmente si tiene prisa, esto es lo que pasa con los electrones. - Están chocando constantemente con los átomos que vibran debido al calor dentro del enrejado.

- Para solucionar este problema, imaginese que usted está intentando pasar a través de una muchedumbre de gente que baila. La única manera que usted puede hacer esto sería rápidamente convencer a la persona delante de usted que le levante para arriba y entonces, como la persona siguiente ve qué está sucediendo, la muchedumbre le deja cuerpo-arriba, como una tapa que se transporta. Esto es similar a qué sucede cuando equipo de 2 electrones para arriba. Fuente Universidad de Oxford

- Utilizando la misma simil de querer pasa por un sitio abarrotado, el primer electrón convence al átomo siguiente de que usted merece un tratamiento especial. Una vez que el proceso comienza, todos se acomodan al paso y usted comienza a moverse adelante sin esfuerzo. El intercambio persona a persona representa a los 2 electrones y su cuerpo representa la carga eléctrica.

- Existe, sin embargo, un pequeño inconveniente. Puesto que la muchedumbre es tan activa, usted debe primero retrasar el baile para que puedan asistirle mientras usted llega por encima. Esto se hace enfrinado los átomos hasta temperaturas muy bajas.

- El resultado es superconductividad.

Pares de Cobre:

- Dos electrones aparecen "en equipo“ de acuerdo con la teoría BCS, a pesar de que ambos tienen una carga negativa y que normalmente se rechazan. Gracias a la temperatura superconductividad, el par de electrones forman uno solo –estado macroscópico del quántum – y que por lo tanto fluye sin resistencia.

Animación del par de Cobre:

- Una corriente eléctrica en un alambre crea un campo magnético a su alrededor.

- La fuerza del campo magnético aumenta al tiempo que la corriente en el alambre se incrementa.

- Debido a que los superconductors pueden llevar corrientes grandes sin la pérdida de energía, ellos estan lo suficientemente dotados para hacer potentes electroimanes.

- Pronto después de que Kamerlingh Onnes descubriera la superconductividad, los científicos empezaron a desarrollar usos prácticos de este nuevo fenómeno.

- Nuevos y poderos imanes que usan superconductividad son mucho más pequeños que un imán resistente, ya que las bobinas podrían llevar corrientes grandes sin pérdida de energía.

- Generadores con superconductores podrían generar la misma cantidad de electricidad con un equipo más pequeño y menos consumo. Así, una vez que la electricidad fuera generada, podría ser distribuida a través de los alambres de superconductividad.

- La energía se podía almacenar en las bobinas de superconductividad por períodos de tiempo largos sin pérdida significativa.

El estado superconductivo es definido por tres factores muy importantes: temperatura crítica (Tc), campo crítico (Hc) y densidad de corriente crítica (Jc). Cada uno de estos parámetros depende en las otras dos características:

- Temperatura crítica (Tc): la temperatura más alta en la cual la superconductividad ocurre en un material. Debajo de esta temperatura T de la transición, la resistencia del material es igual a cero.

- El campo magnético crítico (Hc): sobre este valor de campo magnético, externamente aplicado, un superconductor deja de ser superconductor

- Densidad de corriente crítica (Jc): el máximo valor de la corriente eléctrica por unidad en el área seccionada transversalmente que un superconductor puede llevar sin resistencia.

Omar Caballero

Electrónica del estado sólido