Superconductores

1. Superconductividad
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 Observaciones experimentales Materiales superconductores Efecto Meissner Tipos de superconductores Banda prohibida de energía Efecto isótopo Teoría de la superconductividad Criterio de la superconductividad tipo I y tipo II Cuantización del flujo Aplicaciones de los materiales superconductores
________________________ Al enfriarciertos metales y aleaciones por debajo de una temperatura, propia de cada material y denominada temperatura crítica Tc, del orden de algunos °K, se observa la desaparición repentina de la resistividad eléctrica. Este fenómeno sorprendente se denomina superconductividad y fue observada por primera vez por el holandés Kamerlingh Onnes en 1911.

Figura 1.1. Resistencia (en Ω) de una muestra de Hgen función de la temperatura (en K). Esta es la gráfica de Kamerlingh Onnes que marcó el descubrimiento de la superconductividad.

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1.1 Observaciones experimentales
Las principales observaciones experimentales asociadas al fenómeno de la superconductividad son las siguientes: a) Por debajo de una temperatura crítica Tc la resistividad eléctrica en corriente continua se vuelve ≈ 0,observándose una corriente persistente o supercorriente. En bobinas superconductoras se han observado corrientes persistentes que no disminuyen su valor incluso al cabo de un año implicando este hecho que la resistividad eléctrica < 10-25 Ohm⋅m. Para corriente alterna, el superconductor ofrece resistencia, aunque para frecuencias bajas es muy pequeña.
ρ ρ

ρ(T)=ρ0+BT

5

ρ 0: impurezas y defectosT : dispersión por fonones
5

T Metal

Tc Superconductor

T

Figura 1.2. Resistividad de un metal y de un superconductor a baja temperatura

b) Los materiales superconductores poseen propiedades magnéticas sorprendentes; un superconductor masivo en un campo magnético débil se comporta como un diamagnético perfecto, es decir, la inducción magnética en su interior es nula dado que elflujo magnético es expulsado del interior de la muestra. Este fenómeno recibe el nombre de efecto Meissner.

Figura 1.3. Efecto Meissner en una esfera superconductora enfriada en presencia de un campo magnético constante; al enfriarla por debajo de la temperatura de transición el flujo magnético es expulsado del interior de la esfera.

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c) Destrucción de la superconductividad por camposmagnéticos. La tercera propiedad fundamental de un superconductor consiste en que al aplicar un campo magnético superior a un valor crítico, Bc, a una muestra superconductora, ésta recupera su resistencia eléctrica normal provocando la desaparición de la superconductividad. El valor del campo crítico Bc depende de temperatura, tal y como se muestra en la figura 1.4, comprobándose como a latemperatura crítica Tc el campo crítico es nulo: Bc (Tc)= 0. Una buena aproximación para la dependencia del campo crítico Bc con la temperatura viene dada por la expresión

  T 2  Bc (T ) = Bc (o ) 1 −      Tc      

[1.1]

Figura 1.4. Curvas umbral del campo crítico Hc (en Gauss; 1 Gauss = 10-4 Tesla) en función de la temperatura.

Asociado a esta propiedad tenemos el efectoSilsbee: Si la corriente que circula por el superconductor excede una “corriente crítica”, el estado superconductor es destruido. El valor de esta corriente crítica (hasta 100 A en un alambre de 1 mm de diámetro) depende de la geometría de la muestra y se relaciona con el campo magnético generado por la corriente que excede Bc. Más adelante veremos como la superconductividad tiene su origen en unestado ordenado de los electrones de conducción del metal que da lugar a la formación de pares de electrones débilmente asociados : T < Tc → electrones ordenados, T > Tc → electrones desordenados. La teoría de la superconductividad ha sido desarrollada por Bardeen, Cooper y Schrieffer (1957) y se denomina teoría BCS.

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1.2 Materiales superconductores
Podemos dividir los materiales...