Superconductores
- 1. SUPERCONDUCTIVIDAD Santiago Perea, Javier Pulido 2ºBach. B
- 2. ¿Qué es la superconductividad? La superconductividad es un fenómeno que presentan algunos conductores que no ofrecen resistencia al flujo de corriente eléctrica Estos conductores son diamagnéticos perfectos donde μ r ≅0 Este fenómeno sólo se manifiesta por debajo de una temperatura crítica T c y un campo magnético crítico B c , que dependen del material utilizado Superconductividad
- 3. Breve nota histórica Fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes Recibió el Nobel de Física por su labor científica en 1913 Está íntimamente ligado con el interés de los físicos del siglo XIX en licuar todos los gases conocidos en aquel tiempo. Según los conocimientos de la época, la inmensa mayoría de los gases sólo podrían licuarse a temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados. La licuefacción de los gases permitiría estudiar los fenómenos que se presentan en los materiales a temperaturas muy bajas. Superconductividad HEIKE KAMERLINGH ONNES
- 4. Breve nota histórica II En 1908, con el helio líquido Onnes pudo ya disponer de un baño térmico a muy bajas temperaturas y se dispuso a investigar las propiedades de la materia a esas temperaturas, especialmente cuál era la verdadera variación de la resistividad con la temperatura Seleccionó el mercurio al ser el metal más puro que podía obtenerse y observó que la resistividad eléctrica de éste a una temperatura inferior a 4.22K era menor, por un factor de 10-11, que su valor correspondiente a una temperatura un poco arriba de 4.22 K
- 5. Breve nota histórica III Investigaciones posteriores mostraron que la resistividad no disminuía de manera continua sino que desaparecía muy abruptamente a una temperatura de 4.15K. Este comportamiento no se alteraba al introducir impurezas en la muestra de mercurio. Bien pronto se dio cuenta de la existencia de un nuevo estado del mercurio, en el cual no había resistividad eléctrica. A este nuevo estado lo llamó estado superconductor. Así nació el estudio de los superconductores. Otros personajes relevantes en este campo fueron los alemanes Karl W. Meissner y R. Ochsenfeld que detectaron un acusado diamagnetismo en un superconductor. KARL W. MEISSNER R. OCHSENFELD
- 6. Breve nota histórica IV En 1957 los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se conoce como teoría BCS por la que sus autores recibieron el Premio Nobel de Física en 1972 Esta teoría describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. También explicaba satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales cerámicos CIENTÍFICOS BCS
- 7. Breve nota histórica V En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético Este fenómeno, conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente. BRIAN JOSEPHSON
- 8. Comportamiento de superconductores Haremos dos distinciones con estos materiales según el campo que le sea aplicado Comportamiento magnético: Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico En realidad un material superconductor es un diamagnético perfecto. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.
- 9. Comportamiento de superconductores II (Efecto Meissner) El efecto Meissner consiste en la desaparición total de campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica. Un material superconductor se convierte en un material diamagnético perfecto, de modo que el campo magnético en su interior se anula completamente. Dado que el campo magnético es solenoidal, es decir, todas las líneas de campo son cerradas, el campo magnético se curva hacia el exterior del material La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura
- 10. Comportamiento de superconductores III Diferenciamos entre dos tipos de superconductores: Tipo I: Éstos no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo. Esto conlleva un esfuerzo energético alto, con lo que la mayoría de materiales reales se transforman en el segundo tipo Tipo II: Éstos son imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices. Cuando a un superconductor aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Éstos van aumentando en número colocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas adecuadas
- 11. Comportamiento de superconductores IV Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura. EN LA FIGURA DE LA IZQUIERDA, LA TEMPERATURA ES SUPERIOR A LA T CRÍTICA, LUEGO EL CAMPO ATRAVIESA EL MATERIAL. POR EL CONTRARIO EN LA DE LA DERECHA, EL MATERIAL SE ENCUENTRA POR DEBAJO DE LA TEMPERATURA CRÍTICA, POR LO TANTO EL CAMPO MAGNÉTICO EN EL INTERIOR ES NULO, SIENDO UN MATERIAL DIAMAGNÉTICO PERFECTO.
- 12. Comportamiento de superconductores V Comportamiento eléctrico: La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner y estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía
- 13. Comportamiento de superconductores VI (Efecto Josephson) La corriente eléctrica en los superconductores no la transportan electrones simples como sería el caso normal, sino pares de electrones, los llamados pares de Cooper. Cuando los dos superconductores están separados por una capa de un medio aislante de unos pocos nanómetros, los pares de Cooper pueden atravesar la barrera por efecto túnel, un efecto característico de la mecánica cuántica LA LÍNEA HORIZONTAL ES EL PRIMER ELECTRODO, MIENTRAS QUE LA LÍNEA VERTICAL ES EL SEGUNDO ELECTRODO. EL CUADRADO QUE LAS SEPARA ES UN AISLANTE QUE TIENE EN EL CENTRO DONDE SE ENCUENTRAN LOS DOS ELECTRODOS UNA PEQUEÑA APERTURA A TRAVÉS DE LA CUAL ESTÁ LA VERDADERA UNIÓN JOSEPHSON