superconductividad, breve historia y aplicaciones
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Presentación sobre los elementos de la superconductividad con enlaces para continuar investigando.TRANSCRIPT
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Superconductividad
Breve historia y aplicaciones
13/04/23 Cienciaescolar.NET2Yuri Milachay
El origen de la superconductividad En 1911, el físico holandés
Kamerlingh-Onnes descubrió el fenómeno de la superconductividad.
Tuvo lugar cuando medía la resistencia eléctrica del mercurio puro en condiciones de bajas temperaturas.
Trataba de eliminar el “ruido térmico” en el movimiento de los electrones al interior de un conductor.
Halló que para temperaturas inferiores a 4,15 K, la resistencia eléctrica prácticamente era nula.
Resistencia eléctrica del mercurio vs. Temperatura absoluta
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La superconductividad en otros materiales Más adelante se descubrió que la
propiedad de superconductividad no era exclusiva del mercurio.
La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados.
La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.
Temperatura crítica para diferentes sustancias por año de descubrimiento
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Teoría clásica de los electrones libres en los metales
La teoría señalaba que los electrones que se encuentran en las capas superiores (electrones de valencia) están débilmente unidos a los núcleos.
Por esta razón, cuando los átomos de metal se unen para formar una estructura cristalina, los electrones se liberan del átomo y forman una “nube electrónica”.
Esta nube sometida a la acción de un campo eléctrico comenzará a moverse: la corriente eléctrica.
Los electrones de valencia liberados forman una “nube electrónica”
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Efecto del paso de la corriente en el conductor
Q Calor liberado
Electrones libres moviéndose por la estructura cristalina
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La resistencia eléctrica Se denomina resistencia eléctrica a
la propiedad de los materiales de oponerse al paso de la corriente eléctrica, y depende de las características del propio material (resistividad) y de sus propiedades geométricas.
– resistividad; l – longitud del conductor; A – área del conductor
La unidad de resistencia eléctrica en el SI es el ohm.
La resistencia depende del material y de las medidas del conductor.
lR
A
l
A
Carga en una estructura cristalina metálica
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La resistividad eléctrica La resistividad depende de la
temperatura.
Onnes investigaba la resistividad residual, que no es otra cosa que la resistividad extrapolada al cero absoluto, en el descubrimiento de la superconductividad.
Su pregunta de investigación fue: ¿qué tan pequeña puede ser la resistividad residual del mercurio?
http://books.google.com.pe/books?id=eAx1JbubBGUC&pg=PA175&lpg=PA175&dq=resistividad+residual&source=bl&ots=hH91Qh4-E1&sig=IW0imwMsKFtM4peM--7pyeyuDJY&hl=es&ei=RsY_TMGgIMP48AbT6_i7Cg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CBQQ6AEwAA#
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La temperatura crítica La magnitud que caracteriza el
paso de un conductor al estado de superconductor se denomina “temperatura crítica”.
La temperatura crítica es la temperatura a la que la resistividad cae a la mitad de su valor normal.
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Efecto magnético (Meissner) El Efecto Meissner fue descubierto por
Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933, y consiste en lo siguiente: si a un superconductor se le aplica un campo magnético, en el interior del superconductor el campo magnético se anula.
Básicamente, los electrones modifican sus órbitas de modo que compensan el campo magnético externo; así, en el interior, el campo es nulo.
Este hecho tiene que ver con que un superconductor, para que tenga la resistencia eléctrica nula, requiere necesariamente que el campo magnético en el interior sea cero.
Este efecto puede utilizarse para producir “levitación magnética”. Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que “sujeta” al otro imán sobre él. Así, el imán no puede acercarse ni alejarse: levita.
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Efecto Meissner en imágenes
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Superconductores I y II Se distinguen 2 tipos de
superconductores. El de tipo I, conocido como perfecto, no permite la penetración de un campo magnético, y el de tipo II, que lo permite a través de los llamados vórtices de Abrikosov o fluxones.
Los físicos Landau y Abrikosov demostraron que en realidad los superconductores de tipo I y II en realidad son dos fases del mismo fenómeno.
El que estén en una fase u otra depende de la magnitud del campo magnético externo y de la temperatura.
Representación gráfica de los vórtices de Abrikosov
http://oettinger-physics.de/vortex.html
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Efecto eléctrico El efecto eléctrico de la
superconductividad es la aparición de supercorrientes. Es decir, de corrientes que no disipan energía por efecto Joule (en forma de calor) al caer la resistencia eléctrica a cero.
Como el número de cargas es finito, existe una corriente crítica en los superconductores que hace que comience a disiparse la energía.
Las intensas corrientes producidas sustentan el efecto Meissner.
La teoría señala que cuando la corriente es superior a la crítica en los S-1 se manifiesta el efecto Joule.
En el caso de los S-2, este efecto se produce aún con corrientes pequeñas por la colisión de los vórtices con los átomos de la red.
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Las teorías principales La teoría clásica no puede explicar
el fenómeno de la superconductividad por lo que se aceptan dos teorías:
1. La Teoría BCS que se basa en los descubrimientos de que la superconductividad está relacionada con la red cristalina, y además, de que los portadores de carga son en realidad pares de electrones (pares de Cooper).
Este teoría explica la superconductividad de materiales homogéneos.
2. La teoría Ginzburg-Landau, que es aplicada a los materiales inhomogéneos. Se basa en la minimización de la energía libre de Helmholtz respecto a la densidad de electrones que están en estado superconductor.
Predice la distancia media de penetración del campo magnético y el tamaño aproximado del par de Cooper.
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Aplicaciones Los imanes superconductores son
los más poderosos por lo que se aplican en la fabricación de los trenes de alta velocidad Maglev.
En la producción de imágenes por resonancia magnética nuclear.
http://es.wikipedia.org/wiki/Maglev
http://es.wikipedia.org/wiki/Resonancia_magn%C3%A9tica_nuclear
13/04/23 Cienciaescolar.NET15Yuri Milachay
Aplicaciones Construcción de aceleradores de
partículas.
En dispositivos para la separación de pigmentos.
http://es.wikipedia.org/wiki/Acelerador_de_part%C3%ADculas
http://es.wikipedia.org/wiki/Pigmento
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Aplicaciones En la producción de señales en la
producción de filtros de radiofrecuencia y microondas para telefonía móvil.
Producción de magnetómetros.
http://es.wikipedia.org/wiki/Telefon%C3%ADa_m%C3%B3vil
http://es.wikipedia.org/wiki/Magnet%C3%B3metro
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