Ejemplo de Materiales Superconductores

Un material superconductor es aquel que manifiesta  la capacidad de conducir energía eléctrica sin presentar resistencia ni pérdidas de energía en condiciones determinadas. A esta cualidad se le llama Superconductividad, y fue descubierta en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes.

Se ha llegado a la conclusión de que, a medida que la temperatura se reduce, la resistividad eléctrica de un material conductor metálico se empobrece paulatinamente; sin embargo, en los conductores usualmente empleados, como el Cobre Cu y la Plata Ag, los defectos como las impurezas generan en la sustancia un valor tope. En el caso del Cobre, aún en la proximidad del cero absoluto, se muestra una resistencia no nula.

La resistencia de un superconductor, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en un cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

Carácter Magnético de los Superconductores

Aunque la propiedad más destacada de los superconductores es la ausencia de resistencia, no se puede afirmar que se trate de un material de conductividad infinita. De hecho, un material superconductor de tipo I es perfectamente diamagnético. El Diamagnetismo es la cualidad de un material que le permite ahuyentar los campos magnéticos. Al contrario del Paramagnetismo, que consiste en reaccionar a la atracción de los campos magnéticos. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.

Los campos magnéticos diferencian dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten que penetre un campo magnético externo (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implica la ruptura súbita del estado superconductor si se supera la temperatura crítica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo efectivamente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikósov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Alekséyecih Abrikósov.

Cuando a un superconductor de tipo II se le aplica un campo magnético externo débil, lo repele perfectamente. Si se aumenta, el sistema se vuelve inestable y comienza a introducir vórtices para disminuir su energía. Estos vórtices van incrementando en número, colocándose en redes de vórtices que pueden ser observadas mediante técnicas adecuadas. Cuando el campo es suficientemente grande, el número de defectos es tan elevado que el material deja de ser un superconductor. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor, y que depende de la temperatura.

Carácter Eléctrico de los Superconductores

El surgimiento del superdiamagnetismo es debido a la capacidad del material de crear supercorrientes. Las supercorrientes son corrientes de electrones en que no se disipa energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más destacado de este tipo de materiales.

Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía.

En los superconductores de tipo II, la aparición de fluxones provoca que, incluso para corrientes inferiores a la crítica, se detecte una disipación de energía debida al choque de los vórtices con los átomos de la red.

Superconductores de Alta Temperatura

Debido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido (el nitrógeno líquido sólo es útil cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje requerido es complejo y costoso, utilizándose en pocas aplicaciones, como la construcción de electroimanes potentes para resonancia magnética nuclear (RMN).

En los años 80, fueron descubiertos los superconductores de alta temperatura, que presentan la transición de fase a temperaturas superiores a la transición líquido-vapor del nitrógeno líquido. Esto ha reducido los costos en el estudio de tales materiales, y abierto la puerta a la existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que supondría una revolución en la industria del mundo contemporáneo.

La mayor desventaja de los superconductores de alta temperatura es su composición cerámica, lo que los hace poco apropiados para fabricar cables mediante deformación plástica. Sin embargo, se han desarrollado nuevas técnicas para la producción de cintas como IBAD (Deposición Asistida mediante Haz de Iones). Mediante esta técnica, se han logrado cables de longitudes superiores a 1 Kilómetro.

Ejemplos de Aplicaciones de los Superconductores

Un superconductor se comporta de un modo muy distinto a los conductores normales. No se trata de un conductor cuya resistencia es cercana a cero, sino que la resistencia es exactamente igual a cero. Esto no se puede explicar mediante los modelos convencionales empleados para los conductores comunes, como el modelo de Drude.

Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más potentes conocidos. Se utilizan en los trenes maglev (de levitación magnética), en máquinas para resonancia magnética nuclear (RMN) en hospitales y en la orientación del haz de un acelerador de partículas. También se pueden emplear para la separación magnética, en donde partículas magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos.

Los superconductores se han utilizado también para fabricar circuitos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil.

Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que son los bloques de construcción de los SQUIDs (Dispositivos Superconductores de Interferencia Cuántica), los magnetómetros conocidos más sensibles.

En función de la modalidad de funcionamiento, una unión Josephson se puede utilizar como detector de fotones o como mezclador. El gran cambio en la resistencia a la transición del estado normal al estado superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores de fotones criogénicos.

Aplicaciones innovadoras  y proyectadas a futuro incluyen Transformadores de alto rendimiento, Dispositivos de almacenamiento de energía, la Transmisión de energía eléctrica, Motores eléctricos y dispositivos de levitación magnética.

Sin embargo, la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento de modo que las aplicaciones que usan corriente alterna, como los transformadores, serán más difíciles de elaborar que las que se nutren con corriente continua.

Ejemplos de Materiales Superconductores

Pueden ser metales, como:

1. Plomo
2. Estaño
3. Zirconio
4. Mercurio
5. Tungsteno
6. Zinc
7. Iridio
8. Vanadio
9. Titanio
10. Litio
11. Bario
12. Berilio
13. Cadmio
14. Cromo.

Pueden ser no Metales o Metaloides, como:

1. Boro
2. Calcio
3. Carbono
4. Silicio
5. Fósforo
6. Oxígeno
7. Azufre
8. Selenio
9. Arsénico
10. Bromo
11. Indio
12. Talio
13. Bismuto