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Materiales superconductores y sus aplicaciones MATERIALES Y MANTENIM. DE SIST.AERON. Grado en Ingeniería Aeroespacial León a 22 de Enero de 2015 García Gutiérrez, Adrián Materiales Superconductores y sus aplicaciones. UNIVERSIDAD DE LEÓN Escuela de Ingenierías I.I. GRADO EN INGENIERÍA AEROESPACIAL A...

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Materiales superconductores y sus aplicaciones

MATERIALES Y MANTENIM. DE SIST.AERON. Grado en Ingeniería Aeroespacial

León a 22 de Enero de 2015 García Gutiérrez, Adrián

Materiales Superconductores y sus aplicaciones.

UNIVERSIDAD DE LEÓN Escuela de Ingenierías I.I. GRADO EN INGENIERÍA AEROESPACIAL

ALUMNOS: García Gutiérrez, Adrián TÍTULO: Materiales Superconductores y sus aplicaciones FECHA: 22 de Enero de 2015 RESUMEN: El trabajo consistirá en definir que es la superconductividad e intentar explicarla con un nivel aceptable de profundidad. Se realizará una clasificación de los distintos tipos de superconductores y, así mismo, se investigarán sus orígenes y los que nos ha llevado hasta su estado actual, buscando aplicaciones de la misma tanto en el presente como en un futuro más cercano. Analizaremos el estado actual de la tecnología, y los distintos laboratorios europeos que trabajan con ella. Por último se establecerá una visión de futuro con los problemas que se habrá que superar para el desarrollo completo de la tecnología.

Palabras clave: Superconductividad, materiales, alta temperatura, Josephson, superconductores, aplicaciones

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Materiales Superconductores y sus aplicaciones.

«Ni siquiera la propia naturaleza sabe qué camino va a seguir el electrón» Richard P. Feynman

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Materiales Superconductores y sus aplicaciones.

Contenido 0 INTRODUCCIÓN .................................................................................................... - 6 1

¿QUÉ ES LA SUPERCONDUCTIVIDAD? ................................................................. - 7 -

2

¿EN QUÉ CONSISTE?........................................................................................... - 8 2.1

3

Comportamiento ante campos magnéticos ............................................................ - 9 -

EXPLICACIÓN FÍSICA ..........................................................................................- 11 3.1

Resistencia a nivel microscópico: ..........................................................................- 11 -

3.2

Superconductividad: ............................................................................................- 11 -

3.2.1

3.3

Efecto Josephson: .................................................................................................................. - 13 -

Superconductores a altas temperaturas ...............................................................- 13 -

4

HISTORIA DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD ...........................................................- 15 -

5

CLASIFICACIÓN DE LOS SUPERCONDUCTORES....................................................- 18 5.1

Superconductores convencionales........................................................................- 18 -

5.1.1

5.2

Diboruro de magnesio ........................................................................................................... - 19 -

Superconductores no convencionales ...................................................................- 19 -

5.2.1 5.2.2

Superconductores de alta temperatura ................................................................................ - 20 Superconductores de hierro .................................................................................................. - 22 -

5.3

Otros superconductores no convencionales ..........................................................- 22 -

5.4

Nuevos superconductores ....................................................................................- 23 -

6

APLICACIONES ..................................................................................................- 24 6.1

Material eléctrico ................................................................................................- 25 -

6.2

Medicina .............................................................................................................- 26 -

6.3

Transportes .........................................................................................................- 27 -

6.4

Energía ................................................................................................................- 29 -

7

INVESTIGACIÓN ACTUAL ...................................................................................- 31 -

8

RETOS DE FUTURO ............................................................................................- 33 -

9

CONCLUSIONES.................................................................................................- 35 -

10

BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................................- 36 -

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Índice de figuras Figure 1.1 Reducción de la resistencia con la temperatura ............................................................ - 8 Figure 2.1 Efecto Meissner ............................................................................................................ - 9 Figure 2.2 Anclaje electromagnético ........................................................................................... - 10 Figure 3.1 Resistencia en un cable ............................................................................................... - 11 Figure 3.2 Pares de Cooper .......................................................................................................... - 12 Figure 3.3 Superconductores convencionales y no convencionales ............................................. - 14 Figure 4.1 Heike Kamerlingh Onnes............................................................................................. - 15 Figure 4.2Cooper, Bardeen y Schrieffer ...................................................................................... - 16 Figure 5.1 Tabla periódica ........................................................................................................... - 18 Figure 5.2 Plomo, Aluminio, Mercurio ........................................................................................ - 19 Figure 5.3.Superconductor de Alta Temperatura Bi-2223........................................................... - 20 Figure 5.4 Cuprato Ibco ............................................................................................................... - 21 Figure 5.5 Superconductor de hierro ............................................................................................ - 22 Figure 6.1 Cable superconductor ................................................................................................. - 25 Figure 6.2 SQUIDS ...................................................................................................................... - 26 Figure 6.3 Aparatos de resonancia ............................................................................................... - 27 Figure 6.4 Motor superconductor ................................................................................................. - 28 Figure 6.5 Tren de levitación ....................................................................................................... - 29 Figure 6.6 Molinos superconductores .......................................................................................... - 30 Figure 8.1 Temperatura, campo magnético y corriente................................................................ - 33 -

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0 INTRODUCCIÓN Todos nos acordamos y nos acordaremos de nuestros primeros cursos de física. Los movimientos rectilíneos y uniformes, los cambios de escala de temperaturas, los péndulos… Un tratamiento matemático para sustentar firmemente el comportamiento que observamos de una forma experimental en la propia Naturaleza. Y más pronto o más temprano todos llegábamos a las Tres Leyes de la Termodinámica. Pero la que nos llama la atención aquí, haciendo que la superconductividad sea tan especial y posea ese rasgo de seducción y exotismo que llama nuestra atención, es la segunda ley. Esta ley viene a decirnos que si dejamos un péndulo moviéndose, sin suministrarle energía, tarde o temprano se detendrá. La que nos recuerda que el rozamiento y las pérdidas de energía son inevitables. La que nos prohíbe, pero jamás lo podrá conseguir, soñar con máquinas de movimiento perpetuo. Por otro lado está el efecto Joule. El que nos afirma que cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor produce una generación de calor, y por lo tanto una pérdida de energía. Lo que parece que encaja con todos nuestros conceptos preestablecidos y que hemos estudiado durante todos estos años. Degradación de energía y generación de entropía. Todo lleva a ello de una manera u otra manera. Pero de repente, surge el concepto de superconductividad. De conductores a través de los cuales no se pierde energía. No se degrada. Y es esto lo que nos plantea una sería de cuestiones:       

¿Qué es y en qué consiste la superconductividad? Explicación física para este comportamiento Cómo y qué ha llevado al descubrimiento de los superconductores. Dentro de estos, parece ser que hay varios tipos. ¿En qué se diferencian? ¿Se sigue investigando en este campo? ¿Tiene aplicaciones o son solo desarrollos teóricos y que pecan de ideales? ¿Llegará algún día a verse los superconductores en la vida cotidiana de las personas?

Es una temática muy compleja, en la que abunda el uso de lenguaje técnico y que dificulta el acercamiento inicial al problema. No obstante se intentara responder las preguntas antes mencionadas. Sin más dilación, comencemos este intrépido viaje a uno de los rincones más inhóspitos y aún sin civilizar de la física moderna. Esperamos que todos disfrutemos del camino.

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1 ¿QUÉ ES LA SUPERCONDUCTIVIDAD? Una de las primeras prácticas que se proponen en los cursos de ingeniería consiste en medir la temperatura que se alcanzaba en el interior de una bombilla. Para ello se usa la conocida fórmula: [

(

)]

(

)

Dónde:

Esta fórmula, lo que nos viene a decir no es otra cosa que incrementando la temperatura de un metal, incrementamos su resistencia al paso de una corriente eléctrica a través de él. Y viceversa. Al enfriarlo, se vuelve más conductor. Así pues, si queremos un material con resistencia nula, lo único que deberíamos hacer seria enfriar el material lo necesario. No obstante, no es tan fácil. De hecho, si nos fiáramos de esta fórmula (que corresponde a la física clásica), para conseguir eso nos deberíamos ir a temperaturas más bajas del 0 absoluto, lo cual no tiene sentido. Es imposible. Y por eso, durante muchos años, la posibilidad de conseguir materiales que no crearan oposición al paso de la corriente a través de ellos se desvaneció de la mente de los científicos. No obstante, por 1911 (ya veremos más adelante la historia completa) Kamerlingh Onnes experimentando con el mercurio a bajas temperaturas elaboró la siguiente gráfica que supondría un hito y un paso de no retorno en la historia de la superconductividad:

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Figure 1.1 Reducción de la resistencia con la temperatura

Vemos una gráfica en la que el eje de ordenadas es la resistencia, y el eje de las abscisas la temperatura en grados K. Lo importante no son los datos, ni valores numéricos, sino la aparición de un “salto” en la gráfica, con el que a partir de cierta temperatura, la resistencia se reduce de manera increíble llegando incluso al valor de 0. La temperatura a la que este repentino salto sucede, se denomina temperatura crítica. Y como ya se podrá suponer, este fenómeno de desaparición de la resistencia eléctrica se denomina superconductividad. Pero no es solo eso.

2 ¿EN QUÉ CONSISTE? Numerosas preguntas surgieron a partir de esos primeros descubrimientos. Y para responderlas, solo había un camino. La experimentación. Se señala la importancia de cuatro factores: 1. Por debajo de la temperatura critica, la resistividad eléctrica, y por tanto la resistencia, se vuelve nula. Esto permite, por ejemplo que una corriente permanezca en una bobina superconductora durante mucho tiempo sin caídas en el valor de su intensidad. No obstante cabe señalar, que la resistencia nula solo afecta si es corriente continua. En corriente alterna si se produce resistencia, sin embargo, para frecuencias bajas es muy pequeña. 2. El efecto Meissner por el cual, si sometemos un superconductor a un campo magnético débil, este lo expulsa. En el interior del mismo, el campo es nulo, lo cual comporta la segunda gran propiedad de los superconductores, tan importante como la de resistencia nula. El campo magnético se expulsa debido a la aparición de corrientes superficiales en el material que compensan el existente. A su vez, este efecto da lugar a la repulsión entre un imán y el superconductor, pudiendo uno levitar sobre el otro.

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Figure 2.1 Efecto Meissner

3. En el punto dos hemos especificado que el campo magnético sea débil. Esto no es debido a un capricho nuestro, sino a que, ante campos magnéticos suficientemente fuertes, las propiedades de la superconductividad desaparecen. Este valor crítico que el material puede aguantar también depende de la temperatura, siendo 0 su valor a la temperatura crítica. 4. Y por último, nos encontramos con el efecto Silsbee, asociado en gran parte al anterior punto. Existe también una intensidad de corriente crítica a partir de la cual, se destruye las propiedades que estamos estudiando.

2.1 Comportamiento ante campos magnéticos Los cuatro puntos mencionados anteriormente, se aplican a cualquier tipo de superconductor. Si bien, hay ciertos matices que permiten separarlos en dos grandes grupos: 1. Superconductores de tipo 1. Presentan resistencia nula, en ellos se da el efecto Meissner, y como hemos visto ya, a partir de un campo magnético crítico, se destruyen sus propiedades. 2. Superconductores de tipo 2. Cuando el campo magnético es débil, todo funciona con normalidad. Sin embargo cuando el valor del campo supera un determinado umbral, aparecen unos vórtices en el material, que permiten que una parte del campo lo atraviese. El material sigue poseyendo resistencia nula y, sin embargo, permite el paso del campo magnético a través de él.

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Figure 2.2 Anclaje electromagnético

Este tipo de fenómeno, crea una especie de anclaje entre el imán y el superconductor, de tal manera que cuesta mucho separarlos, de ahí que se estudie su uso para la creación de trenes que leviten sobre las vías magnéticas sin descarrilar (lo veremos a lo largo del presente trabajo).

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3 EXPLICACIÓN FÍSICA 3.1 Resistencia a nivel microscópico: Antes de empezar a fondo con la superconductividad parece interesante dar una revisión al concepto propio de la resistencia, y ver su origen en el nivel microscópico de la materia. Para crear una corriente es necesario mover los electrones que se encuentran en el conductor. Para ello se crea una diferencia de potencial en el material que dota de una velocidad a los electrones. Sin embargo es curioso que de esa velocidad solo una mínima parte corresponda a la dirección y sentido de la corriente. La mayor parte del movimiento de los electrones, es de naturaleza caótica como podemos ver en la imagen:

Figure 3.1 Resistencia en un cable

Es por ello que mientras los electrones poseen velocidades del orden del millón de metros por segundo, en el sentido y dirección de la corriente el movimiento sea de milímetros por segundo. Todo este movimiento caótico produce que los electrones choquen contra los átomos metálicos del conductor, y pierdan parte del impulso que se les daba debido a la diferencia de potencial. Y de ahí que aparezca la resistencia. Parece pues, difícil encontrar un mecanismo para hacer que no se produzcan esos choques y la consecuente disipación de energía. Pasemos ahora, al porqué de los superconductores.

3.2 Superconductividad: Durante muchos años (más de 40) se buscó un por qué al extraño comportamiento de estos materiales. Fue en ese tiempo cuando se desarrolló las teorías físicas que se necesitaban para tratar de una forma satisfactoria el problema que nos atañe: la física cuántica y la física de las transiciones de fase. Lamentablemente, nosotros no poseemos conocimientos en esas ramas de la física suficientes como para adentrarnos con cierta profundidad, y desarrollar los contenidos requeridos para una aproximación inicial quedan lejos de los objetivos del presente escrito. Así que intentaremos evitar el uso de palabras técnicas (fermiones, bosones, gap…) para evitar

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perdernos en el laberinto de la mecánica cuántica. (Ya lo decía Feynman, una de las figuras más ilustres de la física del siglo XX, que quien diga que entiende la mecánica cuántica es que no la está entendiendo). Así pues, intentemos captar un toque cualitativo y a grandes rasgos del asunto. Si miramos la estructura cristalina del material, veremos que los iones no se encuentran fijos en posiciones determinadas, sino que vibran y se mueven (muy poco, eso sí) alrededor de un punto del espacio. Pues bien, al moverse un electrón por la red cristalina (la corriente eléctrica no deja de ser movimiento de electrones), los núcleos positivos de la red se ven atraídos hacía donde está el electrón, y se cambian ligeramente de posición. Esto a su vez, hace que en esa zona aumente la carga positiva y otro electrón sea atraído hacia ella. Si se ve de forma global, un electrón es atraído por otro, a pesar de estar los dos cargados negativamente. Y ambos forman lo que se denomina un par de Cooper.

Figure 3.2 Pares de Cooper

Para que surjan los pares de Cooper se deben dar 3 factores a la vez: 1. La temperatura tiene que ser suficientemente baja como para que el movimiento térmico de los iones no destruya la conexión que se establece entre los dos electrones. Ese movimiento térmico, de naturaleza caótica, aumenta a medida que aumenta la temperatura, y de ahí que el fenómeno se dé a bajas temperaturas. 2. La interacción del electrón con la red, y las alteraciones que este produce en ella, han de ser fuertes. Esto implica que a temperatura ambiente, cuesta mucho mover un electrón a través del material o lo que es lo mismo, presentan una gran resistencia a temperaturas normales. De ahí que la superconducción no se presente en materiales que poseen a temperatura ambiente una baja resistencia. 3. La estructura de la red cristalina va a influir de manera crítica en la aparición, o no, de los pares de Cooper, independientemente de la naturaleza atómica de la que esté compuesta. Una vez que tenemos explicados la formación de los pares de electrones, aparece la magia de la teoría cuántica. Y es que, un electrón sólo posee distintas propiedades que un par de Cooper, presentando estos últimos la capacidad de juntarse y formar lo que se denomina una onda cuántica colectiva. Los pares de Cooper se encuentran ligados y tienen la misma energía y la misma fase de tal forma que cada par de Cooper sabe qué está haciendo su vecino. El estado cuántico colectivo se extiende por todo el mater...