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Materiales superconductores y sus aplicaciones

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Jorge Castelblanco

on 12 October 2012

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Transcript of Materiales superconductores y sus aplicaciones

Aplicaciones Gracias por su atención! Se enfrían con nitrógeno líquido para conseguir la propiedad de la superconductividad, lo que les permite tener un precio asequible para proyectos industriales o de obras públicas y no únicamente en proyectos de investigación.
 
Los cables de superconductores de alta temperatura representan una solución a la titánica tarea de llevar más electricidad a las áreas densamente pobladas.

Los cables superconductores tienen el potencial de multiplicar la fuente de electricidad a un área usando el conducto existente de la infraestructura. Los cables HTS ya usados en proyectos reales son capaces de llevar hasta 3 kA de corriente eléctrica. A pesar de estas ventajas, los cables superconductores de alta temperatura siguen siendo
costosos. Materiales Superconductores 1911: El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes realizó experimentos para medir la resistencia de los metales a bajas temperaturas. La elección de la primera sustancia a analizar recayó en el mercurio. ¿Por qué esta preferencia? Todo es muy sencillo; en aquella época era el único metal que – por medio de la destilación- podía limpiarse bastante bien de impurezas. Había que eliminar la influencia de factores secundarios a la hora de realizar experimentos Las cerámicas exhiben ahora temperaturas críticas cercanas a los 90K y la resistencia disminuye marcadamente incluso en los 139K.
 
Las composición química de las cerámicas es la siguiente:
 

El valor de p es ligeramente inferior a 7. Historia Características Bases científicas Jorge Castelblanco

Ciencia e Ingeniería de Materiales
Universidad Nacional de Colombia
2011 Introducción y clasificación La superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones de presión y temperatura. CASTELVECCHI, Davide. Absolute Hero: Heike Onne's Discover of superconductors turns 100 [Slideshow].
En : Scientific American. [revista electrónica].
[consultado 03 de Enero de 2012]. Disponible en <http://www.scientificamerican.com/slideshow.cfm?id=superconductors-turn-100#4> 1933: Meissner y Ochsenfeld determinaron –usando muestras de estaño y plomo- que en el interior de los superconductores el campo magnético es nulo, aunque en el exterior adopte valores distintos de cero. Una sustancia que presenta esta propiedad se llama diamagnética perfecta. El descubrimiento de este fenómeno modificó las concepciones que sobre el tema se tenían en esa época. Se entendió entonces que un superconductor perfecto, por cuanto estos últimos no pueden ser diamagnéticos perfectos a temperaturas distintas del cero absoluto. Variación de la resistencia de una muestra de mercurio en función de la temperatura (Kamerlingh Onnes. 1912) BARROS, Patricio. Cerca del cero absoluto, capitulo 11: SUPERCONDUCTIVIDAD.
En : www.librosmaravillosos.com [página web].
[consultado 03 de Enero de 2012]. Disponible en <http://www.librosmaravillosos.com/cercaceroabsoluto/capitulo11.html> NATIONAL HIGH MAGNETIC FIEL LABORATORY
En : MAGNET LAB. [Página web].
[consultado 03 de Enero de 2012].
Disponible en <http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/pioneers/meissner.html> ¿Qué es el efecto Meissner-Ochsenfeld?
En : www.blogodisea.com. [página web].
[consultado 03 de Enero de 2012].
Disponible en <http://www.blogodisea.com/2011/que-es-el-efecto-meissner-ochsenfeld/ciencia/> 1957: John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer -físicos estadounidenses- propusieron una teoría que ahora se conoce como teoría BCS, por la cual recibieron el premio nobel de física en 1972. Leon N. Cooper, John Bardeen and John R. Schrieffer. Ganadores del premio nobel de física de 1972.
En : www.imagestate.com. [página web].
[consultado 03 de Enero de 2012].
Disponible en <http://www.imagestate.com/Preview/PreviewPage.aspx?id=1954245&pricing=true&licenseType=RM> 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.

También explicaba satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales cerámicos. 1962: Brian Josephson -físico Británico- 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. 1982: Karl Alexander Müller inició su colaboración con el físico alemán Johannes Georg Bednorz acerca de la superconductividad y los efectos que se producen sobre esta al aplicarle altas temperaturas, basó su estudio en las propiedades de la cerámica formada a partir de la oxidación de materiales de transición.

En el año 1987 fue galardonado, junto a Bednorz, con el Premio Nobel de Física por sus trabajos sobre la superconductividad en los materiales cerámicos SEGRE, Emilio. Visual archives/ American Institute of physics/ Science photo library.
En : SCIENCE PHOTO LIBRARY. [página web].
[consultado 03 de Enero de 2012].
Disponible en <http://www.sciencephoto.com/media/146789/enlarge#> Composición y estructura cristalina Terminos clave Todos los superconductores tienen resistividad exactamente cero a pequeñas corrientes aplicadas cuando no hay campo magnético.

Hasta ahora no se conoce ningún caso de superconductor cuya temperatura crítica sea superior a los 185 K (unos -88°C), a presión ambiente-
El componente térmico es consecuencia de las vibraciones de los iones positivos en torno a sus posiciones de equilibrio en el retículo cristalino metálico. Conforme aumente la temperatura los iones positivos vibran cada vez más, y un elevado número de ondas elásticas excitadas térmicamente (llamadas fonones) dispersan los electrones de conducción y reducen las trayectorias libres medias y los tiempos de relajación entre colisiones. Así a medida que la temperatura aumenta, las resistividades eléctricas de los metales puros aumentan.












La componente residual de la resistividad eléctrica de los metales puros es pequeña y puede ser debida a defectos estructurales tales como dislocaciones, límites de grano e impurezas atómicas que dispersan electrones. La componente residual es casi independiente de la temperatura y es significativa solo a bajas temperaturas La teoría se basa en el hecho de que los portadores de carga no son electrones sino parejas de electrones (conocidas como pares de Cooper). Los electrones habitualmente se repelen debido a que tienen igual carga. Sin embargo, cuando se hallan inmersos en una red cristalina (es decir, la microestructura del material) es posible que la energía entre ellos sea negativa (atractiva) en lugar de positiva (repulsiva), de manera que se creen parejas para minimizar la energía. Cables HTS Construidos con alambre de un SAT (BSCCO). Las bobinas serán utilizadas en generadores de alta eficiencia y bajo costo. Motores y generadores Ofrecen una alternativa altamente eficiente, compacta y liviana frente a los actuales transformadores refrigerados por aceite. 5/10 – MVA Alpha prototype en construcción 25kV/4.2kV, mas eficiente, menor contaminación ambiental, enfriado por civlo cerrado. Transformadores Son dispositivos que sirven para acelerar partículas eléctricamente cargadas (electrones y protones) mediante campos magnéticos la mayoría son de forma circular y tienen muchos anillos electromagnéticos. Aceleradores de partículas Clasificación
Materiales
superconductores Por su comportamiento físico Por su temperatura crítica Por el material Elementos puros Aleaciones Orgánicos Superconductor tipo I Superconductor tipo II Superconductores de
baja temperatura Superconductores de alta temperatura Los superconductores de tipo II son aquellos materiales que en lugar de pasar bruscamente del estado superconductor al estado normal (como sí hacen los de tipo I), van gradualmente de uno a otro. Los superconductores de tipo I son superconductores que en presencia de un campo magnético establecen corrientes superficiales que impiden que dicho campo penetre en el material; este fenómeno se conoce como efecto Meisnner. Temperatura crítica está por debajo de los 77K.
Ej: Mayoría de elementos puros Superconductores con temperatura crítica mayor que la temperatura de ebullición del nitrógeno (77K).

Todos los superconductores de alta temperatura son de tipo II y no convencionales. Ejemplo: YBCO (Itrio-Bario-Cobre-Oxido) Ceramicas La mayoría de los superconductores que son elementos puros son de tipo I, excepto el niobio, el tecnecio, el vanadio y algunas estructuras de carbono El NbTi (1962).
El AuIn (1997).
El URhGe (2005) Estructuras de carbono (fulerenos y nanotubos). Puesto que están compuestos únicamente por átomos de carbono, técnicamente se pueden considerar entre los elementos puros, pero al no ser metales se pueden poner como un grupo aparte. El grupo YBCO, conocido por sus siglas inglesas para óxidos de itrio, bario y cobre, son toda una familia de materiales muy complejos, y los superconductores de alta temperatura más conocidos. Brian Josephson
En : www.zpenergy.com. [página web].
[consultado 03 de Enero de 2012].
Disponible en <http://www.zpenergy.com/modules.php?name=News&file=article&sid=3298> ¿Cómo se obtienen?
Es posible sustituir el Itrio por casi todos los elementos que aparecen en la parte inferior de la tabla periódica, es decir, las tierras raras; el resultado sigue siendo satisfactorio.

Las mezclas de cerámica superconductora se preparan moliendo y mezclando Oxido de Itrio, Carbonato de Bario y Oxido de Cobre; las sustancias se pesan adecuadamente con el fin de tener las proporciones correctas. Posteriormente se hace una pastilla de la mezcla durante varias horas se somete a temperaturas cercanas a los 1000ºC; en este último paso se quema el Carbonato de Bario. Las moléculas se disocian; el Bario queda en el preparado y el carbono se combina con Oxígeno, dando origen a CO2, que va a la atmósfera. Finalmente la muestra se deja enfriar lentamente hasta que alcanza la temperatura ambiente. (El proceso de creación de la cerámica puede llegar a hacerse de otra manera). Comportamiento
magnético Efecto Meisnner Teoría BCS Si un campo magnético suficientemente fuerte se aplica a un material en estado superconductor, este retornará a su estado normal. El campo magnético necesario para restablecer la conductividad eléctrica normal se llama campo crítico Hc. La siguiente figura muestra esquemáticamente la relación entre Hc y la temperatura en condiciones de corriente nula. Hay que notar también que una densidad de corriente suficientemente alta, Jc, también puede eliminar la superconductividad en los materiales. La curva Hc frente a la temperatura puede aproximarse por





Donde H0 es el campo crítico a una temperatura T = 0 K. La ecuación anterior representa el límite o la frontera entre el estado normal y el superconductor. nanotubos de carbono
http://blogingenieria.com/wp-content/uploads/2008/05/0015.jpg Estructura ortorrómbica del URhGe (Uranio Rodio germanio)
http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n400/html/n400rd02.htm Cable HTS
http://www.wtec.org/loyola/scpa/f03_02.gif oxido de Itrio Carbonato de Bario Oxido de Cobre YBCO (Oxido de Itrio Bario Cobre) Temperatura crítica (Tc): Es la temperatura por debajo de la cual la resistividad eléctrica de un material se aproxima a la del cero absoluto. Por encima de esta temperatura, al material se le llama normal y por debajo de Tc se dice que es superconductor.

Frecuentemente es más conveniente pensar en términos de paso de corriente eléctrica en vez de resistencia, y así se define la conductividad eléctrica σ como la inversa de la resistividad eléctrica.

 La resistividad eléctrica de un metal puro es aproximadamente la suma de dos términos: un componente térmico ρT, y un componente residual ρr

ρTotal = ρT + ρr High-temperature Superconductor Un material superconductor se convierte en un material diamagnético perfecto, de modo que el campo magnético es solenoidal, es decir, todas las líneas de campo son cerradas, el campo magnético se curva hacia el exterior del material.

La expulsión del campo magnético del material superconductor prosibilita la formación de efectos curiosos como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura. Consiste en la desaparición total del campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Par de Cooper Banda Prohibida superconductora Atracción de
los electrones Par de Cooper: Pareja de electrones que se hallan ligados debido a que en el estado superconductor ambas partículas se comportan como si se atrajeran, pese a tener ambos carga de igual signo, debido a que interaccionan a través de la red cristalina formada por los iones positivos del metal. Un electrón en un metal normalmente se comporta básicamente como una partícula libre. El electrón es repelido por otros electrones debido a su carga eléctrica, pero también atrae los iones cargados positivamente de forma que estos iones atraen a otros electrones (la interacción electrón-fonón). Esta atracción debida a los iones desplazados puede superar la repulsión de los electrones teniendo la misma carga, causando su emparejamiento. Generalmente, el emparejamiento solo ocurre a bajas temperaturas. La banda prohibida superconductora Δ, a veces conocida como gap superconductor, a pesar de su nombre, no está relacionada con la banda prohibida de semiconductores y aislantes, sino con la energía necesaria para romper el "enlace" que une a dos electrones que están formando un par de Cooper (mientras que cuando un electrón se encuentra en el estado normal, su energía cinética puede ser modificada una cantidad arbitrariamente pequeña).

Más concretamente, la banda prohibida superconductora es la energía por electrón entre el estado fundamental superconductor y el primer estado excitado. La existencia de una temperatura crítica, por debajo de la cual el material pasa al estado superconductor.

La existencia de una discontinuidad en el calor específico al pasar al estado superconductor, con el hecho notable de que, independientemente del material, en el estado superconductor es 2.43 veces mayor que en el normal (para T = Tc).

El efecto Meissner, descubierto 24 años antes, y por el cual el campo magnético es expulsado del interior del material superconductor, dando lugar a efectos muy populares, como la levitación de imanes. Fenómenos que explica Magnetización vs. campo externo magnético M: La magnetización, imantación o imanación de un material es la densidad de momentos dipolares magnéticos
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