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Superconductividad

Superconductividad

Seguramente habrás notado que la fuente de alimentación de tu ordenador o la batería de su portátil se calientan a medida que los utilizas. Cuando tocas la fuente de alimentación, el calor que sientes es energía térmica transformada de energía eléctrica. No queremos esta energía térmica, ya que en lugar de utilizarse para la energía eléctrica, se está perdiendo en forma de calor.

Dado que el mundo en el que vivimos depende, sobre todo, de la eficiencia, ¿no sería bueno que no tuviéramos energía perdida? Pero, claro, esto requeriría una resistencia cero en los circuitos eléctricos que utilizamos, donde se disipa la energía... ¿Es acaso esto posible? La superconductividad es un escenario en el que esto se consigue de forma casi perfecta.

Materiales superconductores

Todos los conductores ofrecen cierta resistencia al paso de la corriente, incluso los mejores para ello en su estado natural (como ocurre con el cobre o el oro). Cuando la corriente pasa por cualquier conductor, este se calienta. Esto se debe a que la energía que se disipa en las resistencias provoca un aumento de la temperatura y, por lo tanto, un incremento de la resistencia que ofrece el conductor en cuestión. Por eso, si la temperatura de un conductor normal disminuye, la resistencia que ofrece también debe disminuir.

En el caso de los superconductores hay una ligera diferencia, ya que tienen una temperatura característica llamada temperatura crítica (Tc). Cuando la temperatura de un superconductor desciende por debajo de la temperatura crítica, su resistencia desciende repentinamente hasta prácticamente cero.

Ejemplos de superconductores

La resistencia del mercurio

Uno de los ejemplos más comunes de superconductor es el mercurio, a la temperatura crítica de 4,2 Kelvin (-269,2°C). Lo descubrió la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes en 1911.

Superconductividad Ejemplo de superconductividad StudySmarterFig. 1: La resistencia del mercurio en relación con la temperatura en Kelvin.

Onnes examinaba la resistencia de diferentes metales, en relación con la temperatura, utilizando helio líquido para enfriar los materiales. Cuando estaba enfriando la muestra de mercurio, se dio cuenta de que, al bajar la temperatura por debajo de 4,2 Kelvin, la resistencia caía repentinamente a cero.

Cuando la temperatura de un superconductor desciende por debajo una cierta temperatura, su resistencia cae repentinamente a cero. Esto se conoce como la temperatura crítica (Tc), y el fenómeno, altamente eficiente, de conducción resultante se denomina superconductividad.

Si conectamos un óhmetro de tres dígitos, a través de un conductor, por debajo de la temperatura crítica, el aparato marcará 0,00. Esto no se debe a que el valor real de la resistencia sea cero, sino que es inferior a 0,01 —cifra que un óhmetro de tres dígitos no puede leer. Hay varios métodos para medir resistencias tan bajas, pero el uso de un óhmetro habitual no es uno de ellos, cuando se trabaja con superconductores, pues no suelen tener suficiente resolución.

Esto también nos muestra que, incluso, la resistencia de un superconductor no puede ser cero absoluto (aunque se acepte teóricamente como cero).

Condiciones para la superconductividad

Entonces, si los superconductores ofrecen una resistencia casi nula y tienen un rendimiento muy alto, ¿por qué no se utilizan en todo para conducir la electricidad? La razón es que las condiciones para la superconductividad no son tan fáciles de conseguir, y los conductores comunes (como el cobre, el oro o la plata) no presentan superconductividad.

Para que los materiales alcancen la superconductividad deben cumplirse tres condiciones. Estas son:

  • Temperatura crítica (Tc): La temperatura del conductor debe estar por debajo de una determinada temperatura llamada temperatura crítica (Tc), que suele ser muy baja.
  • Densidad de corriente crítica (Jc): La corriente que fluye a través de una sección transversal específica del conductor debe estar por debajo de un determinado valor llamado densidad de corriente crítica (Jc).
  • Intensidad crítica del campo magnético (Hc): La intensidad del campo magnético al que está expuesto el conductor debe ser inferior a un determinado valor, denominado intensidad crítica del campo magnético (Hc).

Los valores son características individuales para diferentes superconductores.

Temperatura crítica

Centrémonos, ahora, en la condición más importante para que se pueda llegar a dar superconductividad: la temperatura crítica.

Superconductividad Gráfico de la región superconductora StudySmarterFig. 2: Tres condiciones que afectan a la superconductividad.

Los científicos llevan bastante tiempo observando diferentes materiales, con el propósito encontrar un superconductor con un alto valor de temperatura crítica. En 1911, se observó que la temperatura crítica del mercurio era de 4,2K (-269,2°C). Desde entonces, el superconductor con la temperatura crítica más alta es el óxido de mercurio, talio y cobre, que alcanza una temperatura crítica de 139 Kelvin (-134,15°C).

Esta temperatura es mucho más alta que la del mercurio, pero sigue siendo muy fría en comparación con la temperatura ambiente. Esta es la principal razón por la que los superconductores no se utilizan en todos los dispositivos o proyectos: no resultan tan rentables, teniendo en cuenta los requisitos de refrigeración.

En la siguiente tabla podemos ver las temperaturas críticas y los campos magnéticos críticos de diferentes materiales:

Material

Símbolo

Temperatura crítica Tc (K)

Campo magnético crítico Hc (T)

Mercurio
Hg
4,15-3,95
0,04
Plomo
Pb
7,19
0,08
Cadmio
Cd
11,4
4,00
Titanio
Ti
0,39
0,01
Aluminio
Al
1,20
0,01

Aunque la resistencia cero al flujo de corriente es bastante interesante en la superconductividad, no es el único fenómeno interesante. El efecto Meissner, que consiste en la exclusión de los campos magnéticos, también es muy interesante y puede resultar útil para conseguir ciertas condiciones de experimentación concretas.

Superconductividad El efecto Meissner StudySmarterFig. 3. El efecto Meissner.commons.wikimedia.org

El efecto Meissner se puede observar cuando se coloca un imán permanente sobre un material superconductor que está por debajo de la temperatura crítica. El imán genera una levitación estática, debido a que hay una exclusión de los campos magnéticos en el interior del superconductor. Los trenes de alta velocidad utilizan este efecto para levitar sobre imanes superconductores muy potentes. Esto elimina la fuerza aplicada por la fricción, condición que permite a los trenes alcanzar velocidades de hasta 603 kilómetros por hora.

Superconductores de alta temperatura

Existen materiales que se escapan un poco de la teoría que hemos descrito en este artículo. Estos son los que conocemos como superconductores de alta temperatura y engloban todos aquellos materiales cuya temperatura crítica está por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido(77 K).

Estos materiales resultan muy interesante precisamente por la característica que los define. El nitrógeno líquido es mucho más barato que otros materiales que se pueden emplear para enfriar, como por ejemplo el helio líquido. Por tanto, el hecho de poder usar nitrógeno líquido para enfriar este tipo de materiales y, de esta manera, conseguir que se comporte como un material superconductor, resulta muy útil y conveniente.

Algunos ejemplos de estos tipos de materiales son los que hemos comentado anteriormente: el óxido de mercurio, talio y cobre, que alcanza una temperatura crítica de 139 Kelvin (-134,15°C). Generalmente, se tratan de materiales muy complejos, como materiales cerámicos, pero que poco a poco se están haciendo más accesibles.

Este tema es uno de los más difíciles de resolver y entender en la física de materiales, ya que estos materiales son en ocasiones complejos de obtener y, por tanto, también de estudiar.

Aplicaciones de los superconductores

Los superconductores son muy importantes para los dispositivos que necesitan una baja resistencia y un alto campo magnético. Entre las aplicaciones de los superconductores se encuentran los escáneres de resonancia magnética, los generadores, los trenes de alta velocidad y los aceleradores de partículas.

Otra aplicación de los superconductores es el dispositivo de interferencia cuántica superconductor, conocido como SQUID. El SQUID es un dispositivo que se clasifica como magnetómetro de alta sensibilidad y se utiliza para medir campos magnéticos minúsculos. El proceso de funcionamiento del SQUID depende de bucles superconductores que contienen dos uniones Josephson, como se muestra en la imagen siguiente:

Superconductividad Dispositivo superconductor de interferencia cuántica StudySmarterFig. 4: Un diagrama de SQUID.

Cuando un campo magnético minúsculo está presente alrededor del SQUID, habrá un efecto de interferencia dependiente de la fuerza de ese campo magnético.

  • La unión Josephson es un dispositivo que tiene una supercorriente que fluye continuamente a través de él.
  • La supercorriente es la corriente que fluye a través de los materiales superconductores sin ninguna disipación.

Superconductividad - Puntos clave

  • Los superconductores ofrecen una resistencia nula al flujo de corriente. Por lo tanto, no hay pérdida de energía.
  • Cuando la temperatura de un conductor que presenta propiedades superconductoras cae por debajo de la temperatura crítica (Tc), este pasa a un estado superconductor.
  • Hay tres condiciones que inciden en la superconductividad: la temperatura crítica (Tc), la densidad de corriente crítica (Jc) y la intensidad de campo magnético crítica (Hc).
  • Los superconductores se utilizan en diversas aplicaciones, como escáneres de resonancia magnética, trenes de alta velocidad y aceleradores de partículas.

Preguntas frecuentes sobre Superconductividad

Un superconductor es un material que, en determinadas condiciones, ofrece una resistencia prácticamente nula al paso de una corriente y excluye los campos magnéticos de su interior.

La resistencia de un conductor eléctrico perfecto tiene un valor de cero, en teoría. Sin embargo, esto nos llevaría a una corriente eléctrica infinita. La realidad es que los valores de la resistencia de los superconductores se acercan mucho a cero, pero nunca lo alcanzan.

La superconductividad se produce debido una transición de fase de los materiales, explicada por la teoría BCS, una compleja teoría de la física cuántica del estado sólido.

Los superconductores se pueden utilizar para conducir corriente de manera muy eficiente o, debido a que excluyen los campos magnéticos, para aplicaciones magnéticas como la levitación magnética (un proyecto que se podría usar para que existiesen trenes más rápidos y eficientes).

Cuando la temperatura de un superconductor desciende por debajo de una cierta temperatura, su resistencia cae repentinamente a cero. Esto se conoce como la temperatura crítica (Tc).

Cuestionario final de Superconductividad

Pregunta

¿Cómo se llama el valor de la temperatura cuando un conductor alcanza la superconductividad? 

Mostrar respuesta

Answer

Temperatura crítica.

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Pregunta

Cuando la temperatura de un superconductor desciende por debajo de la temperatura crítica, ¿qué ocurre con la resistencia del conductor?

Mostrar respuesta

Answer

La resistencia cae repentinamente a cero.

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Pregunta

¿Cómo se llama el valor de la densidad de corriente que debe pasar por un conductor para lograr la superconductividad?


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Answer

Densidad de corriente crítica.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes no es una de las propiedades que afectan a la superconductividad?

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Answer

La intensidad del campo magnético.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes no es una de las aplicaciones de los superconductores?

Mostrar respuesta

Answer

Escáneres de rayos X. 

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Pregunta

¿Cómo se llama el dispositivo que tiene una supercorriente que fluye continuamente a través de él?


Mostrar respuesta

Answer

La unión Josephson (JJ).

Show question

Pregunta

¿Cómo se llama la corriente que fluye a través de los materiales superconductores sin ningún tipo de disipación?


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Answer

La supercorriente.

Show question

Pregunta

¿Por qué no se utilizan superconductores en todos los dispositivos/sistemas?

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Answer

Las condiciones para la superconductividad no son tan fáciles de conseguir, y conductores comunes como el cobre, el oro o la plata no presentan superconductividad. 

Show question

Pregunta

¿Cuál es el nombre abreviado del dispositivo de interferencia cuántica superconductora?

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Answer

SQUID.

Show question

Pregunta

¿Para qué sirve el SQUID?

Mostrar respuesta

Answer

Para medir campos magnéticos muy pequeños. 

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Pregunta

Si conectas un óhmetro de tres dígitos a través de un conductor por debajo de la temperatura crítica, el aparato marcará ¿Cuál de las siguientes es la razón de esto?


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Answer

Que el valor real de la resistencia no es cero, sino que es menor que0,01 Ω.

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Pregunta

¿Cuál es el efecto de la exclusión de los campos magnéticos?

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Answer

Efecto Meissner.

Show question

Pregunta

¿Qué es la superconductividad?

Mostrar respuesta

Answer

La superconductividad es el fenómeno que explica la capacidad de determinados conductores de mostrar una resistencia nula al flujo de corriente, por debajo de una determinada temperatura denominada temperatura crítica (Tc).

Show question

Pregunta

¿Qué es un imán superconductor?

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Answer

Un electroimán fabricado con bobinas superconductoras.

Show question

Pregunta

¿Cómo funciona la levitación superconductora?

Mostrar respuesta

Answer

La levitación superconductora funciona gracias al efecto Meissner, que explica la exclusión de los campos magnéticos. Esta exclusión hace que el imán levite permanentemente de forma estática.

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