Mf 14 Conductividad y Superconductividad

CONDUCTIVIDAD Y SUPERCONDUCTIVIDAD

ELECTRICA LA CONDUCTIVIDAD eléctrica de un material, y específicamente de un metal, es una prpiedad de la materia !ue palpams ctidianamente" En efect, cuand cnectams cual!uier aparat eléctric, un radi, un tstadr, la planc#a  encendems la lu$, permitims !ue la crriente eléctrica fluya a tra%és de ls ca&les !ue tiene el aparat" Recrdems !ue la estructura estruc tura de elements met'lics cm el c&re, la plata, el alumini, etc", permite la e(istencia de electrnes !ue n est'n firmemente li)ads a ls n*cles de ls

ELECTRICA LA CONDUCTIVIDAD eléctrica de un material, y específicamente de un metal, es una prpiedad de la materia !ue palpams ctidianamente" En efect, cuand cnectams cual!uier aparat eléctric, un radi, un tstadr, la planc#a  encendems la lu$, permitims !ue la crriente eléctrica fluya a tra%és de ls ca&les !ue tiene el aparat" Recrdems !ue la estructura estruc tura de elements met'lics cm el c&re, la plata, el alumini, etc", permite la e(istencia de electrnes !ue n est'n firmemente li)ads a ls n*cles de ls

Estos electrones pueden visualizarse como si estuvieran brincando o inmigrando de un átomo a otro del metal y, por lo tanto, ocupan un volumen mayor que el de los electrones firmemente ligados a los núcleos.  Así pues, cuando un trozo de metal se somete a una diferencia de potencial eléctrico los electrones que entran al metal por la terminal negativa producen un desplazamiento o corriente de los electrones no localizados, de manera que por cada carga que entra al conductor una cantidad equivalente sale por la terminal positiva.

Est prduce la ima)en de !ue e(iste un flu+ de car)a eléctrica a tra%és del metal y es es l !ue cm*nmente denminams crriente eléctrica" in em&ar), este despla$amient de car)as n curre li&remente"

Ls electrnes n lcali$ads encuentran &st'culs en su camin !ue sn ls prpis n*cles del metal, +unt cn ls electrnes fuertemente li)ads a ells" La resistencia !ue pnen ls n*cles al pas de ls electrnes n lcali$ads se manifiesta en el #ec# de !ue, al fluir

Resistencia Electrica A altas temperaturas -./ 0C1 las scilacines de la red sn muy )rande y ls electrnes c#can cntinuamente cn ests 'tms prduciend resistencia a su m%imient.

La resistencia eléctrica esta determinada por la siguiente ecuacin!

"#

r

l$A

%onde! " es la resistencia en o&mios, es la resistividad en o&mios'cm, l la longitud en cm y A es el área en cm cuadrados.

r

upercnducti%idad e denmina superconductividad a la

capacidad intrínseca !ue pseen cierts materiales para cnducir crriente eléctrica cn resistencia y pérdida de ener)ía cercanas a cer en determinadas cndicines"

La supercnducti%idad es una prpiedad presente en muc#s metales y al)unas cer'micas, !ue aparece a &a+as temperaturas, caracteri$ada pr la pérdida de resisti%idad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denminada temperatura crítica -TC1" N &stante n es suficiente cn enfriar, tam&ién es necesari n e(ceder una crriente crítica ni un camp ma)nétic crític para mantener el estad supercnductr"

Heike Kamerlingh Onnes Esta prpiedad fue descu&ierta en 2322 pr el físic #landés 4ei5e 6amerlin)# Onnes, cuand &ser%7 !ue la resistencia eléctrica del mercuri desaparecía cuand se l enfria&a a 8 6el%in -9.:3 ;C1 y sus e(plicacines te7ricas tardarn m's de cuarenta a<s en esta&lecerse"

Experimento de Heike Kamerlingh Onnes Usand mercuri para sus e(periments, encntr7 !ue la resistencia eléctrica del metal medida en #mis caía pr'cticamente a un %alr i)ual a cer pr de&a+ de una temperatura apr(imadament

Superconductor Sn ds las características que definen a un superconductor=  Una es su resistencia cero  

cnducti%idad infinita" Otra es !ue su campo magnético inducido es cero, si)nifica !ue ls supercnductres tam&ién presentan un acusad diama)netism, es decir, sn repelids pr ls camps ma)nétics

Superconductor

Resistencia cero A medida !ue &a+ams la temperatura las scilacines de ls 'tms disminuyen y la resistencia al m%imient tam&ién? y pr de&a+ de una temperatura crítica prpia del material -Tc1 ls electrnes ya n c#can cn ls 'tms !ue frman la red y se mue%en li&remente

Resistencia cero

(ampo magnético inducido cero Efecto Meissner-Ochsenfel i)nifica !ue dentr de un supercnductr cuand este es enfriad pr de&a+ de su temperatura crítica en un dé&il camp ma)nétic e(tern -el flu+ ma)nétic es e(pedid del supercnductr1" Este efect es llamad MeissnerOchsenfel y es el

!ue permite !ue ls

(ampo magnético inducido cero a1 En una esfera supercnductra , el camp ma)nétic es e(pelid del material -efect @eissner1"

(ampo magnético inducido cero &1 i el camp ma)nétic se incrementa m's all' del camp crític 4c penetra en el material y destruye la supercnducti%id ad

)uperconductividad! factores que la destruyen )i un superconductor que se encuentra a una temperatura menor que su temperatura de transicin se somete a la accin de un campo magnético, e*iste un valor de dic&o campo para el cual la propiedad superconductora desaparece. Al valor del campo en el cual esto ocurre se le conoce como el valor crítico del campo o simplemente campo crítico .

)uperconductividad de +ipo  y  En -/0 el físico norteamericano 1. 2. Le3is descubri que, para un con4unto de sustancias, algunas de ellas siendo metales con ba4o punto de fusin y otras que tengan propiedades electrnicas seme4antes a dic&os metales, e*iste una relacin común que vincula el campo crítico a la temperatura cero, con la temperatura de transicin.

)uperconductividad de +ipo  En general, los superconductores, llamados suaves, y todos los demás metales de transicin que son superconductores, tienen otras propiedades en común, por e4emplo la misma longitud de penetracin del campo magnético. 5 aunque slo los primeros, esto es los suaves, muestran la relacin empírica entre el campo crítico y la temperatura de transicin por la similitud de otras propiedades se les conoce como superconductores de tipo ,.

)uperconductividad de +ipo  El comportamiento del campo magnético crítico para un superconductor  como funcin de la temperatura.

)uperconductividad de +ipo  E*isten otros tipos de superconductores cuyas características y propiedades son muy técnicas o bien son aún desconocidas para listar aquí. 5, curiosamente, estos superconductores son los que tienen la mayor aplicacin en la práctica. Entre ellos están los llamados superconductores del tipo  que pueden formarse &aciendo aleaciones de películas delgadas, formando compuestos con estos superconductores y de otras maneras diferentes.

)uperconductividad de +ipo  El cmprtamien t del camp ma)nétic crític para un supercnduct r del tip II cm funci7n de la temperatura"

%iferencias entre )uperconductividad de +ipo  y +ipo  En transicin La un superconductor de del tipo  e*iste un metal toda una de gama su de valores del campo fase normalpara magnético no los cuales el material es superconductora superconductor y simultáneamente a la fase metal normal superconductora, a una temperatura dada, ocurre para uno y slo un valor del campo

%iferencias entre )uperconductividad de +ipo  y +ipo  6na característica común a todos  los superconductores del tipo  es que la longitud de penetracin del campo magnético 7que es del orden de -8'0 cm9 es muc&o menor que la trayectoria libre media 7que es del orden de -8': cm9.

En los superconductores del tipo  ocurre lo contrario y esto tiene como consecuencia que la forma en que ocurre la transicin superconductiva, cuando un campo magnético está presente, difiere radicalmente del comportamiento que obedecen los superconductores del tipo .

Modelo de London En 238 el físic in)lés B" Lndn frmul7 una tería s&re las prpiedades electrdin'micas de ls supercnductres y predi+ la e(istencia de una ln)itud de penetraci7n del camp ma)nétic" La e(pulsi7n de camp en supercnductres se de&e a la inducci7n de crrientes superficiales !ue apantallan el camp e(tern"

A distancias muy pe!ue
Teoría de Ginzburg-Landau El a< 23/ fue un a< imprtante para la supercnducti%idad" Ls e(periments reali$ads pr " erin mstrarn !ue una &uena tería de&e tener en cuenta !ue ls electrnes en cndicines de transprtar crriente est'n influids pr las %i&racines de ls 'tms !ue cnfrman el cristal" En el len)ua+e de la mec'nica cu'ntica estas %i&racines de la red cristalina se denminan fnnes"

Teoría de Ginzburg-Landau El a< 23/ fue un a< imprtante para la supercnducti%idad" Ls e(periments reali$ads pr " erin mstrarn !ue una &uena tería de&e tener en cuenta !ue ls electrnes en cndicines de transprtar crriente est'n influids pr las %i&racines de ls 'tms !ue cnfrman el cristal" En el len)ua+e de la mec'nica cu'ntica estas %i&racines de la red cristalina se denminan fnnes"

Teoría de Ginzburg-Landau Durante el mism a< ls físics s%iétics L"D" Landau y V"L" Fin$&ur) frmularn una nue%a tería, esta %e$ para descri&ir las prpiedades termdin'micas de la transici7n del estad nrmal al estad supercnductr" Tant la tería de Lndn cm esta *ltima sir%iern para esta&lecer relacines entre distints fen7mens" in em&ar), am&as sn descripcines matem'ticas de 2/ efects &ser%ads en el la&ratri y n pueden e(plicar el fen7men cm una cnsecuencia de las leyes fundamentales de la física" Est es l !ue se denmina una tería

+eoría ;() Bue en 23Gcuand ls físics estadunidenses H" Bardeen, L"N" Cper y T"R" Sc#rieffer frmularn la tería micrsc7pica de la supercnducti%idad, llamada C en #mena+e a ests tres in%esti)adres" Esta tería di7 cuenta de tds ls efects &ser%ads #asta ese mment, permiti7 entender el ri)en del fen7men, fundament7 las terías de Lndn, Landau y Fin$&ur) y es una de las terías m's ele)antes de la física de la materia cndensada" Ls físics estadunidenses )anarn pr este tra&a+ el premi N&el de física en 23G."

+eoría ;() El factr decisi% para determinar !ué tan f'cilmente un cmpuest se cn%ertía en supercnductr a &a+as temperaturas es el n*mer de electrnes de %alencia" sts sn ls !ue se encuentran mens li)ads al n*cle at7mic y determinan la afinidad !uímica del cmpuest"

+eoría ;() Ls *nics cmpuests  elements !ue se transfrman en supercnductres sn a!uells !ue, en promedio, tienen entre ds y c# electrnes de %alencia pr 'tm" J en este inter%al, ls materiales cn n*mer impar  de electrnes de %alencia pr 'tm, tres, cinc  siete, sn ls !ue se cn%ierten en supercnductres cn mayr facilidad"



Efecto Josephson En 23:. el físic in)lés "D" Hsep#sn, !ue apenas supera&a ls ./ a<s de edad, predi+, &as'ndse en la tería C, !ue ds materiales supercnductres en cntact -l !ue se cnce cn el nm&re de +untura1 de&ían mstrar prpiedades muy particulares" De&ían &ser%arse fen7mens nue%s asciads al pas de crriente eléctrica a tra%és de la  +untura"

Efecto Josephson Ests fen7mens, llamads efects  Hsep#sn, fuern cmpr&ads m's tarde en el la&ratri y permitiern mstrar cnsecuencias de la física cu'ntica a escala macrsc7pica"  Hsep#sn reci&i7 el premi N&el en 23G= tr N&el tr)ad pr tra&a+s s&re supercnducti%idad"

emen s upercnductres

Elements upercnductres Ls metales mn%alentes n sn supercnductres, e(cept el Cs"  Tampc l sn ls metales ferrma)nétics" Las tierras raras, e(cept el lantan -!ue tiene la capa electr7nica 4f   cmpletamente %acía1 n frman supercnducttes"

Elements upercnductres 4y en día se cuenta cn una )uía muy específica para sinteti$ar supercnductres" Desde lue) esta cndici7n n es *nica, e(isten trs factres !ue tam&ién sn determinantes" Kr e+empl, se sa&e !ue la supercnducti%idad es fa%recida pr ciertas estructuras cristalinas, pr el espaci del cristal n cupad pr 'tms, etc" Est #a dad lu)ar a innumera&les cmpuests frmads pr elements !ue pr sí misms n sn supercnductres per cuya

Elements upercnductres Est #a dad lu)ar a innumera&les cmpuests frmads pr elements !ue pr sí misms n sn supercnductres per cuya cm&inaci7n sí l es" El silici y el c&alt cnstituyen un cas típic" El silici no es metal, ni si!uiera es un &uen cnductr de la electricidad" El c&alt tiene ds peculiaridades !ue l descalifican cmpletamente cm supercnductr= nue%e electrnes de %alencia y es

Elements upercnductres in em&ar), si am&s se cm&inan para frmar una estructura c*&ica simple se cn%ierten en un supercnductr, pues el silici neutrali$a el pder ma)nétic del c&alt y reduce el n*mer prmedi de electrnes de %alencia pr 'tm #asta caer en el inter%al aprpiad"

Elements upercnductres

Aplicacines! Ls imanes &asads en supercnductres de alta temperatura, imanes de cer'micas supercnductras !ue pueden )enerar un camp de ds teslas, cinc %eces mayr !ue el !ue se puede cnse)uir cn un im'n permanente" Ests imanes se utili$an pr e+empl en ls trenes de alta %elcidad s&re c+ín ma)nétic -@AFLEV1" Ls trenes tip ED -suspensi7n electrdin'mica1 +apneses pueden despla$arse de ./ a // 6m# mediante imanes supercnductres !ue inducen crrientes en las &&inas cnductras de las )uías" Esta interacci7n ele%a al %e#ícul uns 2 cm del suel, cm si fuera un a%i7n en %uel

El tren e(perimental ma)net9le%itante -ma)le%1 @LM/2, del Institut de In%esti)acines Técnicas en Vías -Railay  Tec#nical Researc# Institute1 de Hap7n"Utili$a supercnductres de &a+a temperatura mdel anti)uP !ue re!uieren #eli lí!uid cm refri)erante"

Ls supercnductres de alta temperatura -4T1 utili$an nitr7)en lí!uid, el cual es m's &arat, m's a&undante, y m's f'cil de mane+ar" A&a+ el nue% mdel New leading car, MLX!-"!

El QUID  dispsiti% supercnductr de interferencia cu'ntica, fue una de las primeras aplicacines cmerciales de la supercnducti%idad" asad en las unines  Hsep#sn, sn captadres ma)nétics e(trardinariamente sensi&les !ue permiten medir camps ma)nétics y tensines eléctricas increí&lemente dé&iles, cn una resluci7n del rden del pic%lti, una &illnésima de %lti" Ls QUID lle%an utili$'ndse ininterrumpidamente desde ls a<s :/ en multitud de aplicacines= detecci7n s*per precisa de las se
Aparats de frmaci7n de im')enes pr resnancia ma)nética, m's cncids cm R@N" Cn esta técnica se clca una sustancia en un camp ma)nétic intens !ue mdifica el spin de ls n*cles de determinads ines" Después, se smete a la muestra a una nda de radi !ue rerienta ls n*cles" Al desaparecer la e(citaci7n se li&era un puls de ener)ía !ue prprcina infrmaci7n s&re la estructura mlecular de la sustancia""" y !ue puede transfrmarse en una ima)en mediante

Ordenadres mas r'pids" Otra aplicaci7n de las unines Hsep#sn es la psi&ilidad de fa&ricar transistres &asads en ellas" Ests circuits pdrían acti%arse y desacti%arse muy r'pidamente cn un cnsum de ptencia mínim" En tería, un rdenadr &asad en el efect Hsep#sn sería / %eces m's r'pid !ue un cn%encinal, aun!ue #asta #y n #a sid cnstruid de&id a pr&lemas de fia&ilidad, de interfaces y a la dificultad de cmpetir cn un ad%ersari tan

Desarrll de camps ma)nétic inmenss= La frma mas e%idente de crear un camp ma)nétic es mediante una &&ina de ca&le enrllad, !ue al ser atra%esada pr una crriente eléctrica crea un camp directamente prprcinal a la intensidad de la misma" Cn ls supercnductres pueden prducir camps ma)nétics altísims" La aplicaci7n típica en este cas sn ls aceleradres de partículas cm el  Te%atrn del Bermila& en EE"UU" cn una capacidad de un teraelectr7n %lti -TeV1, e!ui%alente a un &ill7n de %ltis"

 Transprte de ener)ía mediante ca&les eléctrics, transfrmadres de crriente y cnmutadres de ptencia" Tam&ién pdrían utili$arse cm limitadres de crriente, prprcin'ndns un %lta+e mas esta&le" El Departament de Ener)ía de Estads Unids #a anunciad el primer pryect de us cmercial a )ran escala de ls supercnductres de alta temperatura" e pretenden instalar ca&les supercnductres de uns 2/ metrs en una su&estaci7n eléctrica de Detrit" e sustituir'n ls ca&les de c&re de tal manera !ue la nue%a instalaci7n al&er)ara una capacidad tres %eces

Almacenamient de ener)ía mediante supercnductres ma)nétics de almacenamient de ener)ía -@E1" Este sistema cnsiste en car)ar una &&ina supercnductra de electricidad y lue) cerrarla frmand un anill" La crriente te7ricamente circularía sin perdidas, y cuand #u&iera !ue utili$arla &astaría cn a&rirla y e(traer la cantidad necesaria" Este sistema se #a prpuest, pr e+empl, para el almacenamient de ener)ía en %e#ículs eléctrics"

Cm&inaci7n de crrientes y ma)netism para la )eneraci7n de ptencia y tra&a+, cm mtres y )eneradres eléctrics muc#ísim mas eficientes" In%esti)aci7n espacial" En el espaci, prte)ids de la lu$ slar, es f'cil cnse)uir temperaturas dentr del ran) funcinal de ls supercnductres de alta temperatura" En este aspect la NAA #a financiad diferentes estudis s&re sensres y elements de actuaci7n electrmec'nics cn %istas a su