Superconductor
07 Mar, 2013
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PDFMeissner effect
PRESENTATION: YBaCuO is a low-temperature superconducting alloy. If it is cooled with liquid nitrogen it can be repelled by a ceramic magnet, and stand equilibrium, floating in the air above it.
- Demonstrating the Meissner effect and persistent current, Ronald Brown, Phys. Teach. 38, 168 (2000)
- Levitation of a magnet over a superconductor, P. J. Ouseph, Phys. Teach. 28, 205 (1990)
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Los superconductores tienen montones de aplicaciones. En este vídeo se puede ver un divertido circuito con imanes y un superconductor.
Los japoneses, que son líderes mundiales en temas de superconductividad, consiguieron poner un tren a 581 km/h en 2003 años gracias a el uso de imanes superconductores. Son los “Maglev”, que viene de Magnetic Levitation, y el más rápido se encuentra en Shanghai (China). Sin embargo, este tren recorre una distancia de apenas 30 kilómetros, lo que repercute en la demanda de este servicio. En 2006, se propuso y se aprobó en 2010, una extensión de la línea, pero quedó suspendida por protestas públicas debido al impacto ambiental y en la salud de la presencia de altas radiaciones magnéticas, además de devaluar el precio de las viviendas cercanas a las infraestructuras.
¿Veis alguna manera de solventar este problema? ¿Qué opináis del modo de enfriamiento con nitrógeno líquido de estos materiales para qué puedan presentar superconducción? ¿Es viable económicamente poder mantener este sistema a lo largo de cientos de kilometros?
Parece que en los últimos años se han ido descubriendo nuevos materiales y entre ellos algunos superconductores a un ritmo cada vez más rápido. Uno que podría ser bastante interesante y que ha sido descubierto hace apenas solo 6 meses en la Universidad de Liverpool (aunque tal y como nos dice el artículo ya había sido predicho hace casi 2 décadas).
Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Los superconductores de tipo I son superconductores que en presencia de un campo magnético establecen corrientes superficiales que impiden que dicho campo penetre en el material. Este tipo de superconductores son diamagnéticos (propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos), en uno de los videos se observa dicha propiedad que tiene como aplicación la levitación magnética. Creo que la demostración en clase de dicha propiedad puede sorprender a los alumnos.
En el LHC del CERN se utilizan imanes superconductores (de niobio-titanio) para acelerar las partículas hasta casi la velocidad de la luz. En el caso de que se utilizarán imanes normales la longitud del acelerador de partículas tendría que ser de 120 km para alcanzar la misma velocidad.
El sistema funciona a -271ºC (1.9 K), más frío que en el espacio. Para llegar a esta temperatura se utiliza nitrógeno líquido y posteriormente para mantenerlo a menos de 2 K se utiliza helio líquido.
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En la superconductividad existe un gran futuro. Un tren AVE español no sobrepasa los 305 km/h mientras que un maglev chino viaja a una velocidad rutinaria de 450 km/h. El maglev a mayor velocidad se vuelve más estable. Es uno de los medios de transporte más seguro del mundo. En poco tiempo sustituirán a los trenes bala en largas distancias y competirán con los aviones en comodidad, velocidad y menor precio. En un tren maglev se utilizan imanes de superconducción con un campo magnético 100.000 veces más potentes que el de la Tierra.
En teoría, los maglev son capaces de alcanzar los 6.440 km/h y superarlo, utilizando tubos de vacío. Solo existe un problema: Tanto los superconductores como el mantenimiento de toda la instalación es carísimo. El avance de la tecnología hará posible esta visión del futuro. Vídeo.
Vídeo muy útil para llamar la atención de los alumnos y para hacerles pensar en las posibilidades que plantea la superconductividad.
Coincido en que es muy interesante y sus aplicaciones múltiples, como el tren que mencionaba José María, pero también otras como la resonancia magnética nuclear de los hospitales o los aceleradores de partículas. Esto además a la hora de ser presentado ante un grupo de alumnos es importante para su motivación y consecuente atención, ya que por sus cabezas suele rondar esa pregunta: “¿Y esto para qué sirve?”.
Pero voy a ir más allá y hablar también de la superconductividad de alta temperatura, es decir, la de aquellos materiales que a una temperatura superior a la del nitrógeno líquido se comportan igualmente como superconductores y/o no responden a la teoría BCS. Si aún queda mucho por investigar en los superconductores normales, en los de alta temperatura incluso más, sin embargo gracias a sus características ahorrarían, al menos en parte, los costes de refrigeración por lo que su potencial es increíble.
El grafeno, el llamado material del futuro, podría ser superconductor. Un equipo de científicos británicos logró, según anuncia la revista Nature Communications, describen cómo las capacidades superconductoras del grafeno pueden activarse acoplándolo con un material llamado óxido de cobre de praseodimio y cerio (PCCO).
Un material superconductor es aquel que al enfriarse por debajo de cierta temperatura, denominada temperatura crítica (Tc), su resistencia es nula al paso de la electricidad. Este experimento se observa un fenómeno de levitación magnética en materiales superconductores. Al colocar un imán sobre un material superconductor y enfriarlo por debajo de su Tc, el flujo del campo magnético en el material superconductor desaparece. Esto es lo que se llama Efecto Meissner. Este es, en mi opinión, unos de los experimentos más espectaculares que conozco. Tanto el uso de nitrógeno líquido, como el hecho de ver un imán levitando, hacen que sea muy llamativo tanto para niños/as como adultos. Sin embargo, quizás no es tan accesible para llevar a clase, debido a los altos costes y la dificultad que conlleva el uso de nitrógeno líquido; aunque lo veo como una gran opción para una “semana de la ciencia”. En la actualidad, la búsqueda de estos materiales es uno de los pilares de investigación, debido al amplio rango de aplicaciones que tienen.
Me parece un experimento superchulo, aunque no sé si es muy asequible para hacer en una clase de secundaria. No tengo muy claro si el nitrógeno líquido puede ser peligroso en su manipulación.
Pero lo que realmente llama la atención es la levitación del imán! Dejo aquí un artículo que habla sobre los superconductores y sus aplicaciones.
En este otro enlace se explica muy bien el fenómeno de la levitación con superconductores.
La levitación magnética es una herramienta súper motivadora para iniciar el estudio del electromagnetismo. Aunque probablemente sea complicado conseguir materiales superconductores y enfriarlos con nitrógeno líquido en una clase de secundaria, yo propongo un vídeo, algo más modesto, pero que también maneja la levitación magnética y se puede hacer en cualquier aula de secundaria con facilidad.
La Levitación Magnética consiste en la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura. Este fenómeno se define a través del Efecto Meissner que consiste en la expulsión total del campo magnético del interior de un material superconductor al aplicar un campo magnético externo cuando este se encuentra por debajo de su temperatura crítica.
Al hilo de un comentario de 2016 al respecto de los trenes maglev, un ejemplo concreto lo encontramos en el tren de alta velocidad del futuro “Hyperloop”. Este tren utilizará la Levitación Magnética para alcanzar velocidades superiores a los 1.000 Km/h (casi la velocidad del sonido). Se tratará de un sistema de transporte terrestre basado en unas cápsulas que circulan, casi levitando, a través de unos tubos continuos de acero parcialmente al vacío. Cada cápsula flotará sobre una capa de aire de entre 0,5 y 1,3 milímetros, por medio de un elevador de aire similar al sistema que hace que los discos de una mesa de hockey queden suspendidos en el aire.
Pero convertir Hyperloop en un modo de transporte de la vida real está demostrando ser un proceso largo. Los pasajeros con claustrofobia podrían rechazar la idea de ser propulsados en un tubo sin ventanas pero muchos lo tolerarían para llegar a su destino más rápido. Esta previsto igualmente un sistema similar al metro donde los trenes Hyperloop lleguen con frecuencia, lo que permita a los pasajeros acceder al primer servicio disponible. Dejo un enlace a un video explicativo de este proyecto.
Un exemplo de aplicación dos superconductores son os Tokamak de fusión nuclear. Deixo un enlace da páxina do ITER explicando o seu uso.
Las aplicaciones más comunes de la levitación magnética son los trenes Maglev, trenes bala capaces de alcanzar más de 600 km/h. El siguiente vídeo explica perfectamente este concepto.
Interesante principio que poseen algunos materiales, siendo el más conocido el YBaCuO. Sin embargo, el gran inconveniente que poseen estos materiales es la baja temperatura a la que trabajan (como se observa en el vídeo, se debe enfriar con nitrógeno líquido, que se encuentra a -196ºC), lo cual se traduce en un elevado precio. Sin embargo, en octubre se consiguió dar un gran paso, ya que se descubrió un superconductor a temperatura ambiente. Aquí dejo el artículo donde se habla acerca de tal descubrimiento.
Los materiales superconductores tienen características muy interesantes, destacando la levitación magnética (empleada por ejemplo en el tren bala japonés). Es destacable que existen materiales que pueden presentar otros cambios importantes de características al enfriarse hasta temperaturas cercanas a 0 K, como los superfluidos, cuya viscosidad es próxima a 0. El siguiente vídeo muestra el comportamiento del helio superfluido.
No efecto Meissner prodúcese unha repulsión do campo electromágnetico que o atravesa de tal xeito que as liñas de campo magnético rodean o material superconductor. Dito efecto deriva principalmente dos estudios levados a cabo onde se demostrou como varía o valor de dito campo magnético varía de forma exponencial coa profundidade a medida que entra no superconductor (London penetration lenght). A seguinte referencia deixa constancia matemática de dito efecto así como a súa relación co efecto Meissner.
En este vídeo de Órbita Laika nos explican este interesante superconductor y nos muestran cómo levita, debido al efecto Meissner.
Si consultamos aplicaciones en biología de los superconductores disponemos de múltiples estudios en los que se han utilizado electroimanes superconductores para generar campos magnéticos intensos y estudiar sus efectos en el crecimiento de plantas y animales y, además, analizar su efecto en el comportamiento de estos últimos. En el siguiente estudio, por ejemplo, evalúan el riesgo de la exposición para humanos.
Una de las aplicaciones comerciales más importantes de este concepto es la de los trenes de levitación magnética por superconducción, que ya están en servicio en países asiáticos como China, Japón o Corea del Sur. La primera línea se inauguró en Shanghai en 2004, y permite desplazarse a velocidades de hasta 603 km/h. Actualmente ya están en explotación otras líneas en EEUU, por ejemplo entre las ciudades de Baltimore y Washington. Se puede encontrar más información sobre este tema en la siguiente página web.
Otra área prometedora de aplicación de imanes superconductores son los reactores termonucleares. Son necesarios para crear la llamada trampa magnética, para retener el plasma producido por el reactor. Las partículas cargadas giran alrededor de las líneas del campo magnético. De hecho, un plasma magnetizado se convierte en un diamagnético que es la propiedad de los materiales que consiste en repeler los campos magnéticos. En consecuencia, si rodea el plasma con imanes superconductores que generan campos potentes, el plasma se mantendrá en un volumen dado y no podrá destruir las paredes del reactor. Es esta tecnología la que se utiliza para construir el reactor de fusión ITER en Francia. Rusia también participa en este proyecto, y fue ella la responsable del suministro de cables superconductores a Francia para crear el mismo campo electromagnético que “domestica” el plasma. Estos imanes se probarán durante el primer lanzamiento del reactor en 2025.
Gerd Holst y Heike Kammerlingh Onnes descubrieron que la resistencia eléctrica del mercurio se anulaba a doscientos sesenta y nueve grados bajo cero. A temperatura ambiente, los iones vibran separándose frenéticamente. Las constantes colisiones entre los electrones y iones convierten la energía eléctrica en calor, esto es la resistencia. La superconductividad de los metales se debe a que los electrones se agrupan por pares (pares de Cooper), los cuales se comportan de manera diferente a los electrones sueltos: ni chocan entre sí, ni con los átomos del medio, ni hay resistencia alguna que se oponga a su avance. Un electrón que se mueve desplaza los iones vecinos, hace que vibren, y las vibraciones (por otro nombre, fonones) crean pequeñas zonas positivas, que atraen a otros electrones, y actúan como el pegamento que hace posible la formación de los pares. A baja temperatura, las vibraciones de los iones ceden y se crea una red estable. Ahora los electrones pueden pasar libremente y se produce un nuevo efecto: las distorsiones de la red hace que se coloquen en pares. El grupo de electrones puede pasar por la red sin ninguna colisión y por tanto sin ninguna resistencia. Gracias a esto, puede pasar una corriente enorme por un superconductor sin sobrecalentarlo, lo que permite crear electroimanes de gran potencia.
Un campo en el que el uso de los superconductores será de vital importancia es el de la generación de energía mediante la fusión. El plasma generado, que se encuentra a millones de grados centígrados, se debe contener mediante campos magnéticos de alta intensidad, pues ningún material es capaz de soportar esas temperaturas. Existe un proyecto internacional denominado ITER para el desarrollo de esta tecnología, si bien es cierto que en los últimos años China se ha adelantado, consiguiendo hitos relevantes en la consecución de esta tecnología.
Estos materiales superconductores también nos permiten conseguir una eficiencia energética perfecta, sin desperdiciar energía. Algo que hasta el momento no se ha conseguido debido a las resistencias eléctricas que la disipan en forma de calor. Actualmente, se están investigando nuevos materiales que puedan ser superconductores a temperaturas más elevadas. Uno de esos materiales es un compuesto de hidruro de azufre carbonoso, pero desafortunadamente esa propiedad solo apareció a presiones extremadamente altas de 267.000 millones de pascales.
Esta tecnología hoy en día se usa cada vez más, ya que lo que genera(falta de rozamiento) permite por ejemplo a un tren viajar a más velocidad.
El futuro es apasionante, ojalá lleguemos a tiempo y no sea demasiado tarde.
Según este blog, el hidruro de lutecio dopado con nitrógeno (NDLH) es capaz de exhibir superconductividad sometido a 69 grados Fahrenheit (20,5ºC) y una presión de 10 kilobares. Condiciones próximas a las existentes en la naturaleza lo que abre un amplio campo de posibilidades. Están apareciendo superconductores con mucha frecuencia, lo que es una gran noticia.
La superconductividad es una propiedad de ciertos materiales que les permite conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía a temperaturas muy bajas. Este fenómeno fue descubierto en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Cuando la temperatura llega a un valor crítico, la resistividad se vuelve nula y el material se convierte en un superconductor. La demostración en clase de la levitación magnética puede ser una experiencia muy interesante para los alumnos. Permite visualizar de forma clara y directa una propiedad fundamental de la materia. El siguiente vídeo puede ayudarnos a comprender mejor estos conceptos.
Comparto un vídeo que habla sobre la superconductividad y cómo se está estudiando para que funcione a temperaturas más altas. El canal es de Javier Santaolalla, un doctor en física que trabajó en el CERN y que ya lleva años siendo divulgador científico. Tiene varios vídeos sobre conductividad y sobre muchos otros temas de física, como de noticias científicas de la actualidad.
Este vídeo me ha resultado muy interesante y quiero compartir otro realizado por investigadores del Centro de Superconductividad Aplicada de la Universidad de Oxford. En él se presentan simulaciones que ilustran la interacción entre los campos magnéticos y estos fascinantes materiales, los superconductores, lo que da lugar a la formación de vórtices magnéticos. Una comprensión más profunda del estado superconductor podría permitir el diseño de materiales y dispositivos con las propiedades necesarias para su aprovechamiento tecnológico a gran escala.