Superconductividad

Los conductores pierden toda su resistencia eléctrica cuando se enfrían a temperaturas súper bajas (cerca del cero absoluto, alrededor de -273 ° Celsius). Debe entenderse que la superconductividad no es simplemente una extrapolación de la tendencia de la mayoría de los conductores a perder resistencia gradualmente al disminuir la temperatura; más bien, es un salto cuántico repentino en resistividad de finito a nada. Un material superconductor tiene una resistencia eléctrica absolutamente nula, no solo una pequeña cantidad .

La superconductividad fue descubierta por primera vez por H. Kamerlingh Onnes en la Universidad de Leiden, Países Bajos, en 1911. Solo tres años antes, en 1908, Onnes había desarrollado un método para licuar el gas helio, que proporcionaba un medio con el que sobreenfriar objetos experimentales unos grados por encima del cero absoluto. Al decidir investigar los cambios en la resistencia eléctrica del mercurio cuando se enfría a una temperatura tan baja, descubrió que su resistencia se redujo a nada justo debajo del punto de ebullición del helio.

Existe cierto debate sobre exactamente cómo y por qué los materiales superconductores se superconducen. Una teoría sostiene que los electrones se agrupan y viajan en pares (llamados pares de Cooper ) dentro de un superconductor en lugar de viajar de forma independiente, y eso tiene algo que ver con su flujo sin fricción. Curiosamente, otro fenómeno de temperaturas extremadamente frías, la superfluidez , ocurre con ciertos líquidos (especialmente helio líquido), lo que resulta en un flujo de moléculas sin fricción.

La superconductividad promete capacidades extraordinarias para los circuitos eléctricos. Si la resistencia del conductor pudiera eliminarse por completo, no habría pérdidas de energía o ineficiencias en los sistemas de energía eléctrica debido a resistencias parásitas. Los motores eléctricos podrían fabricarse casi perfectamente (100%) eficientes. Los componentes como los condensadores y los inductores, cuyas características ideales normalmente se estropean por las resistencias inherentes de los cables, podrían convertirse en ideales en un sentido práctico. Ya se han desarrollado algunos conductores, motores y condensadores superconductores prácticos, pero su uso en este momento es limitado debido a los problemas prácticos intrínsecos al mantenimiento de temperaturas extremadamente frías.

La temperatura umbral para que un superconductor cambie de conducción normal a superconductividad se denomina temperatura de transición . Las temperaturas de transición para los superconductores "clásicos" están en el rango criogénico (cerca del cero absoluto), pero se ha avanzado mucho en el desarrollo de superconductores de "alta temperatura" que se superconducen a temperaturas más cálidas. Un tipo es una mezcla cerámica de itrio, bario, cobre y oxígeno que cambia a una temperatura relativamente suave de -160 ° Celsius. Idealmente, un superconductor debería poder operar dentro del rango de temperatura ambiente, o al menos dentro del rango de equipos de refrigeración económicos.

Las temperaturas críticas para algunas sustancias comunes se muestran aquí en esta tabla. Las temperaturas se dan en kelvin, que tiene el mismo intervalo incremental que en grados Celsius (un aumento o disminución de 1 kelvin es la misma cantidad de cambio de temperatura que 1 ° Celsius), solo compensado para que 0 K sea cero absoluto. De esta manera, no tenemos que lidiar con muchas cifras negativas.

Material Elemento / Aleación Temperatura crítica (K) Elemento de aluminio1.20Elemento de cadmio0.56Elemento de plomo7.2Elemento de mercurio4.16Elemento de niobio8.70Elemento de torio1.37Elemento de estaño3.72Elemento de titanio0.39Elemento de uranio1.0Elemento de zinc0.91Compuesto de niobio / Sulfuro de estaño1.618.1

Los materiales superconductores también interactúan de formas interesantes con los campos magnéticos. Mientras está en el estado superconductor, un material superconductor tenderá a excluir todos los campos magnéticos, un fenómeno conocido como efecto Meissner . Sin embargo, si la intensidad del campo magnético se intensifica más allá de un nivel crítico, el material superconductor se volverá no superconductor. En otras palabras, los materiales superconductores perderán su superconductividad (sin importar qué tan fríos los haga) si se exponen a un campo magnético demasiado fuerte. De hecho, la presencia de cualquier El campo magnético tiende a reducir la temperatura crítica de cualquier material superconductor:cuanto más campo magnético presente, más frío tiene que hacer el material antes de que se superconduzca.

Esta es otra limitación práctica de los superconductores en el diseño de circuitos, ya que la corriente eléctrica a través de cualquier conductor produce un campo magnético. Aunque un cable superconductor tendría una resistencia cero para oponerse a la corriente, todavía habrá un límite de cuánta corriente podría pasar prácticamente a través de ese cable debido a su límite crítico de campo magnético.

Ya existen algunas aplicaciones industriales de los superconductores, especialmente desde la reciente aparición (1987) de la cerámica de itrio-bario-cobre-oxígeno, que solo requiere nitrógeno líquido para enfriarse, a diferencia del helio líquido. Incluso es posible pedir kits de superconductividad a proveedores educativos que se pueden operar en laboratorios de escuelas secundarias (nitrógeno líquido no incluido). Por lo general, estos kits exhiben superconductividad por el efecto Meissner, suspendiendo un pequeño imán en el aire sobre un disco superconductor enfriado por un baño de nitrógeno líquido.

La resistencia cero que ofrecen los circuitos superconductores conduce a consecuencias únicas. En un cortocircuito superconductor, es posible mantener grandes corrientes indefinidamente con cero voltaje aplicado.

Se ha demostrado experimentalmente que los anillos de material superconductor mantienen una corriente continua durante años sin voltaje aplicado. Hasta donde todos saben, no existe un límite de tiempo teórico sobre cuánto tiempo se puede mantener una corriente sin ayuda en un circuito superconductor. Si está pensando que esto parece ser una forma de movimiento perpetuo , ¡Estás en lo correcto! Contrariamente a la creencia popular, no existe ninguna ley física que prohíba el movimiento perpetuo; más bien, la prohibición se opone a que cualquier máquina o sistema genere más energía de la que consume (lo que se denominaría una unidad excesiva dispositivo). En el mejor de los casos, una máquina de movimiento perpetuo (como el anillo superconductor) sería buena para almacenar energía, no generar libremente!

Los superconductores también ofrecen algunas posibilidades extrañas que no tienen nada que ver con la Ley de Ohm. Una de esas posibilidades es la construcción de un dispositivo llamado Josephson Junction , que actúa como una especie de relé, controlando una corriente con otra corriente (sin partes móviles, por supuesto). El pequeño tamaño y el rápido tiempo de conmutación de Josephson Junctions pueden dar lugar a nuevos diseños de circuitos informáticos:una alternativa al uso de transistores semiconductores.

REVISAR:

• Los superconductores son materiales que tienen una resistencia eléctrica absolutamente nula.
• Todos los materiales superconductores actualmente conocidos deben enfriarse muy por debajo de la temperatura ambiente para convertirse en superconductores. La temperatura máxima a la que lo hacen se llama temperatura de transición .

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de voltaje, corriente y resistencia
• Hoja de trabajo de resistencia específica de conductores