Superconductividad en los materiales

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1. SUPERCONDUCTIVIDAD

La superconductividad es la propiedad que poseen ciertos materiales de perder toda resistencia eléctrica. El fenómeno fue descubierto por el físico holandés Heike Kammerling Onnes, que en 1911 anunció que el mercurio se vuelve superconductor cuando se le enfría a una temperatura muy baja, de alrededor se cuatro grados por encima del cero absoluto (4 K).

Pronto secomprobó que varios metales se convertían en superconductores al enfriarse lo suficiente. En todos los casos la temperatura que se requería era sólo un poco mayor que la del cero absoluto, que en la práctica únicamente podía conseguirse sumergiendo un trozo del material en helio líquido, que hierve a 4.2 K a la presión atmosférica.

El tener que alcanzar una temperatura tan baja resultaba uninconveniente, pero eso no parecía ser obstáculo para lo que se consideró al principio una aplicación ideal del descubrimiento, que era la de hacer motores y generadores eléctricos de potencia y rendimiento elevados. Gran parte de las pérdidas energéticas en las máquinas electromagnéticas se deben al calor generado por el paso de la corriente a causa de la resistencia de los bobinados. De poderse eliminarla resistencia haciendo los bobinados con hilos de material superconductor se evitarían esas pérdidas.

Por desgracia estas esperanzas se vinieron abajo con el descubrimiento de que la superconductividad desaparece al poner el hilo superconductor dentro de un fuerte campo magnético. Debido a que los motores y generadores necesitan campos de gran intensidad para funcionar debidamente, elperfeccionamiento esperado parecía ser inalcanzable.

No obstante, la superconductividad era un efecto fascinante e inesperado. Tan sólo por ese motivo se convirtió en importante tema de investigación física y se aprendió más sobre el fenómeno.

1. ¿QUÉ ES LO QUE HACE QUE UN SUPERCONDUCTOR PIERDA SU RESISTENCIA?

Al principio parecía probable que a las temperaturas muy bajas que entran en juego laestructura atómica del material se dispusiera en una forma perfectamente ordenada. Entonces los electrones -así se postulaba- podían moverse por el espacio vacío entre los núcleos atómicos sin chocar con nada ni perder energía. Pero la explicación en realidad es mucho más compleja.
Un aspecto interesante es que los electrones que intervienen en la superconductividad se presentan en la formaconocida como pares de Cooper, con movimiento de rotación o "spin" en sentidos opuestos. También entran en juego sutiles efectos cuánticos.
La pérdida de resistencia eléctrica es sólo uno de los varios cambios que tienen lugar cuando se enfría un superconductor por debajo de la temperatura crítica a la cual desaparece la resistencia. Se presentan entonces efectos magnéticos sorprendentes: lapermeabilidad del material disminuye hasta cero y el flujo magnético en el material desaparece; la conductividad térmica aumenta rápidamente.
Es particularmente importante el fenómeno de túnel electrónico, según el cual los electrones pueden atravesar barreras que la física clásica consideraba antes como infranqueables. El profesor Brian Josephson de la Universidad de Cambridge, que ganó el Premio Nobelpor su trabajo, predijo y demostró que cuando dos superconductores están separados por una capa aislante muy delgada los electrones pueden atravesar el aislamiento aun cuando no haya ninguna fuerza electromotriz que los impulse. Si se aplica una tensión de excitación, se producen oscilaciones a una frecuencia que depende únicamente de la tensión y de dos constantes físicas bien conocidas, laconstante de Plank y la carga de un electrón. Una consecuencia de esto es que si se mide la frecuencia puede calcularse la tensión aplicada. Esto significa que una unión Josephson, como se la conoce ahora, podría dar por primera vez una medida absoluta del voltio.

1 NIOBIO-ESTAÑO

Alrededor de medio siglo después de ser descubierta la superconductividad, otro hallazgo renovó súbitamente las...
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