Lo que estás viendo aquí es el efecto Meissner, o la expulsión de un campo magnético de un superconductor cuando pasa a su estado superconductor. Imagen cortesía del Laboratorio Nacional Argonne Una de las reglas no escritas de la física dice que no se puede obtener algo a cambio de nada; a lo mejor, puede administrar un tipo de cambio justo entre la cantidad de energía que inyecta en un sistema y la cantidad que extrae de él.
Considere su automóvil:en promedio, sólo el 12,6 por ciento de la energía química que bombea a más de $ 3,50 (o lo que pague) por galón se traduce en movimiento. El resto se destina a superar el arrastre, inercia y otras ineficiencias mecánicas, con un enorme 62,4 por ciento consumido por la fricción del motor, bombas de aire y calor residual [fuente:Comisión de Energía de California].
El calor surge en todo tipo de sistemas. Como un malversador de energía se quita la parte superior de las reacciones químicas, sistemas físicos y circuitos eléctricos. Ya sea la consecuencia de la pérdida de eficiencia o su causa, el resultado es que estás perdiendo en el trato. El calor es la razón por la que no podemos lograr un movimiento perpetuo (o un movimiento que nunca cesa).
También es la razón por la que las plantas de energía deben amplificar la corriente a altos voltajes cuando la transmiten a través del país:para superar la pérdida de energía en resistencia - contraparte eléctrica de la fricción. Imagínese si pudiéramos encontrar una manera de eliminar la resistencia, erradicando así la pérdida de energía:sin cargos por servicio, sin impuestos y sin dinero de protección. Entrada de energía =Salida de energía.
Introduzca superconductores. Si las tres leyes de la termodinámica dicen que no existe un almuerzo gratis, luego los superconductores tienen su pastel y se lo comen, también. Envía corriente a través de un cable superconductor, y no pierde energía a la resistencia. Dobla el cable en un bucle, y se mantendrá a cargo indefinidamente. Levítalo sobre un imán, y el sol devorará la tierra antes de que caiga.
Poco después de su descubrimiento en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes y sus colaboradores, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim y Gilles Holst, la superconductividad inspiró sueños de transmisión eléctrica sin pérdidas. Desafortunadamente, había una trampa.
Los superconductores requieren temperaturas muy frías, del orden de 39 kelvin (menos 234 C, menos 389 F) para superconductores convencionales. El alambre de mercurio sólido que usó Kamerlingh Onnes requería temperaturas por debajo de 4.2 K (menos 269.0 C, menos 452,1 F). Incluso los llamados superconductores de alta temperatura solo funcionan su magia por debajo de 130 K (menos 143 C, menos 225,7 F).
Para empeorar las cosas, Los superconductores abandonan su estado sin resistencia si se exponen a un campo magnético demasiado grande o a demasiada electricidad.
No todo estaba perdido sin embargo. Superconductores modernos, como el niobio-titanio (NbTi), han elevado el listón sobre la cantidad de carga magnética que pueden tolerar. Sus campos magnéticos superiores los hacen útiles en ciertos trenes de levitación magnética, así como en aceleradores de protones, como el del Fermilab, o máquinas de resonancia magnética, su aplicación más común. En el futuro cercano, los investigadores esperan utilizarlos en tecnologías de energía emergentes, como sistemas de almacenamiento de energía o turbinas eólicas de alta eficiencia.
Antes de ver las impactantes formas en que los superconductores esquivan la resistencia, repasemos cómo funciona la resistencia.
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Una de las mejores aplicaciones de los superconductores son los trenes de levitación magnética. Viaja en uno en este video de "Ingeniería extrema". Descubrimiento Algunos conductores son mejores que otros; la clave es la organización. Los buenos conductores de trenes mantienen los ferrocarriles funcionando a tiempo, y Arturo Toscanini mantuvo a la Orquesta Sinfónica de la NBC tocando a tiempo, al combinar elementos complejos en sistemas ordenados.
Los buenos conductores eléctricos muestran una organización igualmente armoniosa, pero deben enfrentarse a la resistencia. De hecho, La resistencia es lo que separa a los conductores convencionales de sus primos superpoderosos.
Piense en los electrones libres en un conductor típico como personas dando vueltas en una terminal de tren. Una corriente aplicada es como la campana que anuncia la llegada del tren:en un instante, los movimientos individuales se transforman en un solo, movimiento unido hacia las plataformas - o lo haría, si no fuera por unos pocos alborotadores que tropiezan, empujar, titubean en los quioscos o se niegan a abrirse paso en las escaleras mecánicas. Gracias a la resistencia que brindan, algunos viajeros pierden el tren, y la corriente pierde energía. Así es la vida en Conductor Terminal.
Ahora, reemplace a esos viajeros con un flash mob encubierto. Al timbre se asocian y realizan un sincronizado, baile coreografiado a través de la terminal. Nadie pierde el tren y todos están menos cansados cuando llegan. Esa es la maravilla de viajar en la estación de superconductores.
Antes de estudiar los pasos de esta partícula pas de deux, sin embargo, Demos un paso atrás y repasemos cómo la resistencia confunde los materiales mundanos. Comenzaremos de manera simple y agregaremos complejidad a medida que avanzamos.
Aunque hay excepciones, cuando decimos corriente eléctrica , normalmente nos referimos a una corriente de electrones que atraviesa un medio. Qué tan bien un material conduce la electricidad se relaciona con la facilidad con que los átomos que lo componen donan electrones. Los aislantes son miserables, mientras que los conductores gastan lo suyo como marineros en la licencia en tierra.
Los electrones donados, ahora conocido como electrones de conductancia , no orbitan átomos individuales, sino que flotan libremente a lo largo del conductor, como nuestros viajeros del tren de arriba. Cuando se aplica una corriente, fluyen a través del material y transmiten electricidad.
Un conductor consta de una red de átomos; para que la electricidad fluya, los electrones deben moverse a través de esta red con la menor interferencia posible. Como un montón de pelotas de tenis lanzadas a través de un gimnasio en la jungla, Las probabilidades de que algunos electrones golpeen la red son buenas. Las probabilidades de interferencia aumentan si las áreas se deforman. Por lo tanto, es fácil ver cómo los defectos de material constituyen una causa de resistencia en los conductores.
En esta analogía del gimnasio de la jungla, los átomos están representados por las intersecciones de varillas metálicas. En la actualidad, la celosía de un conductor no es rígida; sus átomos vibran, y las interacciones que los conectan oscilan, así que es mejor pensar en ello como una cuadrícula de resortes. ¿Qué hace que estos átomos vibren? Cuanto mayor sea la temperatura, cuanto más vibra la celosía, y es más probable que nuestras pelotas de tenis tengan interferencia. Señale con tiza la segunda fuente principal de resistencia a nuestro viejo amigo, calor.
Esto plantea la pregunta:si el problema es el calor, ¿No podría ser frío la respuesta? Relájate un segundo:llegaremos a eso en la siguiente sección.
Si el calor aumenta la resistencia, luego, bajar el termostato debería disminuirlo, ¿Derecha? Bien, lo hace, dentro de los limites. En conductores normales, la resistencia cae como baja el termómetro, pero nunca desaparece. Los superconductores funcionan de manera un poco diferente.
A medida que se enfría un superconductor, Sigue una curva similar de resistencia que cae gradualmente hasta que alcanza su particular temperatura crítica ; luego, abruptamente, toda resistencia desaparece. Es como si la resistencia estuviera perdiendo lentamente un tira y afloja con la conductancia y luego, frustrado, suelta la cuerda. Realmente, la sustancia sufre un transición de fase . Como hielo derritiéndose en agua el material convencional asume un nuevo estado, uno con resistencia cero.
Para entender lo que está pasando aquí necesitamos hacer algunas modificaciones a nuestro gimnasio de la jungla atómica. Específicamente, tenemos que empezar a tener en cuenta el magnetismo.
Cuando los átomos de un conductor ceden electrones, se convierten en iones con carga positiva, provocando una atracción neta entre la red atómica y los electrones cargados negativamente que la atraviesan. En otras palabras, como si las vibraciones y deformaciones no fueran lo suficientemente malas, las pelotas de tenis que lanzamos a través de nuestro gimnasio en la jungla oscilante son imanes. Puede suponer que esto aumentaría sus posibilidades de encontrar resistencia al pasar por nuestra red inestable, y tendrías razón, para conductores normales. Superconductores sin embargo, úselo en su beneficio.
Imagínese un par de pelotas de tenis lanzadas a través de la rejilla, uno caliente en la cola del otro. Cuando la primera bola pasa a través de la red cargada positivamente, atrae a los átomos circundantes hacia él. Al agruparse, estos átomos crean un área local de mayor carga positiva, lo que aumenta la fuerza que tira del segundo electrón hacia adelante. Como consecuencia, la energía gastada para pasar, de media, rompe incluso.
Como bailarinas cuadradas, estas Pares de Cooper se forman y se rompen constantemente, pero el efecto general se perpetúa a lo largo de la línea, permitiendo que los electrones atraviesen el superconductor como un rayo engrasado.
Los pares de Cooper llevan el nombre del físico Leon N. C ooper quien, con John B ardeen y john robert S chrieffer, avanzó el primer modelo exitoso que explica la superconductividad en superconductores convencionales. Su logro, conocido como el Teoría BCS en su honor, les valió el Premio Nobel de Física de 1972.
La superconductividad se negó a permanecer fija por mucho tiempo, sin embargo; poco después de que la teoría BCS lograra tracción en el campo, Los investigadores comenzaron a descubrir otros superconductores, como los óxidos de cobre superconductores de alta temperatura, que rompieron el modelo BCS.
En esta próxima sección, veremos qué distingue a estos exóticos superconductores del resto.
Ola permanenteLa mecánica cuántica nos dice que los electrones exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas. Por lo tanto, conceptualizar la resistencia y la superconductividad, debes imaginar los electrones como ondas que se propagan a través de un material, como ondas en un estanque. La resistencia causada por las vibraciones de los iones excitados es similar a las piedras arrojadas a ese lago, creando contra-ondulaciones que interfieren o cancelan la onda de electrones. La diferencia entre conductores normales y superconductores radica en el grado de organización involucrado. En superconductores, todos los electrones asumen una velocidad y dirección casi idénticas, formando un solo, Ola organizada que resiste la disrupción.
Dependiendo de cómo corte el pastel, hay muchos tipos de superconductores o solo dos. Desde la perspectiva de cómo se comportan en campos magnéticos, sin embargo, los científicos los clasifican comúnmente en dos grupos.
A Superconductor tipo I generalmente está hecho de un metal puro. Cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica, tal material exhibe cero resistividad eléctrica y muestra perfecta diamagnetismo , lo que significa que los campos magnéticos no pueden penetrarlo mientras está en estado superconductor.
Superconductores tipo II suelen ser aleaciones, y su diamagnetismo es más complejo. Para entender por qué tenemos que ver cómo responden los superconductores al magnetismo.
Así como todo superconductor tiene una temperatura crítica que hace o rompe su estado superconductor, cada uno también está sujeto a un campo magnético crítico . Un superconductor de Tipo I entra y sale del estado superconductor en uno de esos umbrales, pero un material de Tipo II cambia de estado dos veces, en dos umbrales de campo magnético diferentes.
La distinción entre los materiales de Tipo I y Tipo II se asemeja a la diferencia entre el hielo seco (dióxido de carbono sólido) y el hielo de agua. Ambos sólidos se enfrían bien, pero manejan el calor de manera diferente:el hielo de agua se derrite en un estado mixto, agua congelada, mientras que el hielo seco sublima :A presión normal, pasa directamente de sólido a gas.
Con respecto al magnetismo, un superconductor de tipo I es como hielo seco:cuando se expone a su campo crítico, su superconductividad se quema instantáneamente. Un tipo II es más versátil.
Mientras está dentro de un campo débil, un material de Tipo II exhibe un comportamiento similar al de un Tipo I, al igual que H 2 O y CO 2 ambos se enfrían eficazmente mientras están en estado sólido. Eleve el campo magnético por encima de un cierto umbral, sin embargo, y el material se reorganiza en un estado mixto - un estado de vórtice en el que pequeños remolinos de corriente superconductora fluyen alrededor de islas de material normal. Como agua helada todavía hace su trabajo bastante bien. Si aumenta la intensidad del campo magnético, sin embargo, las islas de la normalidad crecen juntas, destruyendo así los remolinos de superconductividad circundantes.
¿Qué significa este estado mixto para el magnetismo? Hemos hablado de lo que sucede cuando un superconductor se calienta. Ahora, veámoslo desde la otra dirección.
En su normalidad estados cálidos, Tanto los materiales de Tipo I como los de Tipo II permiten que los campos magnéticos fluyan a través de ellos, pero a medida que se enfrían hacia sus temperaturas críticas, cada vez más expulsan estos campos; Los electrones en el material crean corrientes parásitas que producen un contracampo, un fenómeno conocido como el Efecto Meissner .
Cuando alcanzan su temperatura crítica, Los superconductores de tipo I expulsan cualquier campo magnético restante como tantos compañeros de habitación inactivos. Dependiendo de la fuerza del campo magnético en el que existen, Los campos de tipo II pueden hacer lo mismo, o pueden volverse un poco pegajosos. Si estan en un estado de vórtice , el campo magnético que aún fluye a través de las islas de material normal en sus corrientes superconductoras puede atascarse, un fenómeno conocido como fijación de flujo (ver barra lateral) El flujo magnético es una medida de la cantidad de campo magnético que pasa a través de una superficie determinada.
Debido a que pueden seguir siendo superconductores en este campo magnético más fuerte, Los materiales de tipo II como el niobio-titanio (NbTi) son buenos candidatos para el tipo de imanes superconductores que se encuentran en, decir, Acelerador de protones de Fermilab o en máquinas de resonancia magnética.
Cuando las ranas vuelanEn 2000, Andre Geim y Sir Michael Berry ganaron el Premio Ig Nobel de Física levitando una rana, así como agua y avellanas, utilizando un superconductor y diamagnetismo. Aunque tendemos a pensar en el agua y los tejidos orgánicos como no magnéticos, algunos elementos y la mayoría de los compuestos exhiben un efecto repulsivo muy débil cuando se colocan en un campo magnético fuerte. Los físicos también utilizan el diamagnetismo para hacer levitar superconductores de forma estable. El truco radica en los superconductores de Tipo II como el óxido de cobre, bario ytrio, que permiten el paso de un campo magnético y lo fijan en su lugar. El video de "levitación cuántica" que se volvió viral en la web en 2011 ejemplificó este tipo de levitación, en el que el magnetismo y el diamagnetismo se combinan para mantener el levitador perfectamente quieto, a diferencia de los materiales de Tipo I, que levitan constantemente pero se bambolean, o ferromagnetos, que no puede levitar de forma estable sin ayuda exterior.
Las aplicaciones industriales y científicas de los superconductores están limitadas por las condiciones especiales de temperatura que requieren para trabajar su mojo electromagnético. por lo que tiene sentido clasificar los materiales en función de sus temperaturas críticas y requisitos de presión.
Cientos de sustancias, incluidos 27 elementos metálicos, como el aluminio, dirigir, mercurio y estaño:se convierten en superconductores a bajas temperaturas y presiones. Otros 11 elementos químicos, incluido el selenio, silicio y uranio:transición a un estado superconductor a bajas temperaturas y altas presiones [fuente:Encyclopaedia Britannica].
Hasta 1986, cuando los investigadores de IBM Karl Alexander Mulller y Johannes Georg Bednorz marcaron el comienzo de la era de superconductores de alta temperatura con un óxido de bario-lantano-cobre que logró una resistencia cero a 35 K (menos 238 C, menos 397 F), la temperatura crítica más alta alcanzada por un superconductor mide 23 K (menos 250 C, menos 418 F). Tal superconductores de baja temperatura requiere enfriamiento con helio líquido, que era difícil de producir y tendía a romper los presupuestos [fuente:Haldar y Abetti]. Los superconductores de alta temperatura elevan el rango de temperatura hasta alrededor de 130 K (menos 143 C, menos 226 F), lo que significa que se pueden enfriar con nitrógeno líquido fabricado de forma económica a partir del aire [fuente:Mehta].
Aunque los físicos comprenden los mecanismos que gobiernan los superconductores de baja temperatura, que siguen el modelo BCS, Los superconductores de alta temperatura siguen siendo enigmáticos [fuente:CERN]. El santo grial sería conseguir un material con resistencia cero a temperatura ambiente, pero hasta ahora ese sueño sigue siendo esquivo. Quizás no se pueda hacer o, quizás, como otras revoluciones científicas, se encuentra justo sobre el horizonte, esperando la innovación tecnológica o teórica necesaria para hacer realidad el sueño.
Mientras tanto, las poderosas ventajas que ofrecen los superconductores sugieren una amplia gama de aplicaciones presentes y futuras en las áreas de energía eléctrica, transporte, diagnóstico e imágenes médicas, resonancia magnética nuclear (RMN), procesamiento industrial, física de altas energías, comunicaciones inalámbricas, instrumentación, sensores, Radar, informática de alta gama e incluso criogenia [fuente:CCAS].
Además del maglev, Aplicaciones de acelerador de partículas y resonancia magnética que mencionamos anteriormente, Los superconductores se utilizan actualmente comercialmente en espectroscopia de RMN, una herramienta clave para la biotecnología, genómica, trabajos de investigación farmacéutica y ciencia de materiales. La industria también los aplica en un proceso magnético para separar la arcilla de caolín, un relleno común en papel y productos cerámicos.
En cuanto al futuro, si los investigadores y los fabricantes pueden superar las limitaciones de costo de los superconductores, refrigeración, fiabilidad y aceptación, El cielo es el límite. Algunos ven tecnologías verdes, como molinos de viento, como el siguiente paso en una aceptación y aplicación más generalizadas de la tecnología, pero se vislumbran mayores posibilidades.
¿Quién sabe? Quizás un futuro lector lea detenidamente este mismo artículo en una computadora equipada con procesadores casi a la velocidad de la luz, conectado a una red alimentada por reactores de fusión, todo gracias a la superconductividad.
Vive La DifférenceLos superconductores cuentan con una resistividad superior a cero; también ofrecen una densidad de transporte de corriente extremadamente alta, resistencia excepcionalmente baja a altas frecuencias, Dispersión de señal muy baja y alta sensibilidad al campo magnético. Excluyen los campos magnéticos aplicados externamente, exhiben comportamientos cuánticos inusuales y son capaces de transmitir señales a la velocidad de la luz. Esta combinación de factores reescribe efectivamente las reglas para las industrias electromagnéticas y sugiere numerosas innovaciones posibles, incluyendo una mejor transmisión de energía eléctrica, generación y almacenamiento; menor, imanes más potentes para motores; equipo médico de última generación; componentes de microondas mejorados para comunicaciones y aplicaciones militares; sensores muy reforzados; y el uso de campos magnéticos para contener partículas cargadas.
