Unidad#7 Ensayo: Superconductores

Estructura y propiedades de los materiales en ingeniería

Integrante:
• Hernández González Adrián.

Profesora:
Maria Del Carmen Vargas Estrada

Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Azcapotzalco.

2 de Marzo del 2021.

Introducción
En el siguiente texto trata de los superconductores, de cómo un material
necesita tener ciertas características para poder alcanzar la temperatura crítica y ser
superconductivo. Al igual que cuáles son las circunstancias del por qué un material
puede perder su superconductividad, siendo esto posible a través de la explicación y
entendimiento de las teorías que tratan de comprender cómo funciona un
superconductor y qué fenómenos surgen dentro del proceso.
A su vez, se habla del antecedente histórico que lleva a que esta propiedad sea
descubierta y manipulada. En su manipulación se mencionan las aplicaciones
que tienen los superconductores en la actualidad.

Superconductores
Empecemos explicando un poco de su historia, se descubrieron por primera vez en 1911,
cuando el físico holandés Heike Onnes redujo drásticamente la resistencia del mercurio
en helio líquido. Dos años más tarde, ganaría el Premio Nobel de Física por su trabajo en
la investigación llamada “estado superconductor”. Por debajo de una temperatura crítica,
estos los superconductores tienen resistencia eléctrica cero. Esta tecnología permite una
evolución y un cambio sustancial en la manera de entender el aprovechamiento de la
energía. Son materiales que no ofrecen resistencia al flujo de electrones, lo que permite
una eficiencia del 100% en la transferencia de energía eléctrica. Es decir, estos cables
transportan una corriente que nunca disminuye, y actúan como una reserva perfecta de
energía eléctrica, a diferencia de las baterías, que se degradan con el tiempo.
A continuación, se demuestra los elementos de la tabla periódica que son
conocidos como superconductores. Dichos son metales, metaloides y no metales.
Posteriormente, se expresan los materiales con los que puede ser creado un
superconductor, que advierten cuáles son sus temperaturas críticas para alcanzar la
superconductividad.

Actualmente existen dos tipos de superconductores, los ideales y los duros. Los
superconductores tipo I o ideales, según la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC)
(s.f.) el campo magnético en el interior siempre es nulo, por lo que su permeabilidad
magnética también es nula. Cuando se aumenta el campo, hay una retroalimentación
negativa, puesto que aumenta de manera negativa la magnetización que atribuye a la
densidad de flujo magnético se anule, en el interior del superconductor. Igualmente, esto
puede suceder si se disminuye el campo magnético. Sin embargo, la magnetización no
puede aumentar de manera indefinida, puesto que si el valor del campo crítico se excede,
el material pierde su superconductividad. Otro límite es la densidad de corriente crítica,
puesto que al ser superado su valor el estado superconductor se pierde. Haciendo este
tipo de superconductores poco relevante para aplicaciones eléctricas o magnéticas. Por
otra parte, los superconductores tipo II o duros, poseen dos campos críticos, que delimitan
un cambio en el estado superconductor y permiten la entrada de flujo. Se dice que cuando
el campo aplicado es inferior al primer campo crítico, se encuentra en estado Meissner,
esto significa que transiciona del estado normal a la superconducción, excluyendo la
forma activa de los campos magnéticos de su interior. Haciendo de su interior una parte
normal y otra superconductora, conocido como estado mixto; pero cuando el campo
externo alcanza el segundo campo crítico, el flujo penetra todo el material y destruye su
propiedad superconductiva.
“En 1935 los hermanos London describieron las dos propiedades básicas
(resistencia cero y expulsión del campo magnético) en el marco de la
electrodinámica. Lo consiguieron gracias a la enorme intuición de que el estado
superconductor era una función de onda cuántica macroscópica con orden en el
espacio de las velocidades (en física, espacio de momentos).” (Instituto de Ciencia de
Materiales de Madrid, s.f.) En 1950 Ginzburg y Landau describieron la superconductividad
en base a la teoría general de Landau de las transiciones de fase. Esta es una teoría
fenomenológica que describe la fase superconductora mediante una pseudo función de
onda que sigue siendo de gran utilidad el día de hoy. Después se demostró que la
teoría de Ginzburg y Landau se podía deducir de la teoría BCS cerca de la temperatura
crítica y que además la pseudo función de onda era equivalente al centro de masas del
par de Cooper. Bardeen, Cooper y Scheffer en 1957 resuelven el problema con su teoría
BCS, en la cual los electrones se aparean en pares de Cooper y llegan a formar un estado
cuántico colectivo macroscópico. El mecánico o por decía así el pegamento que hace
posible que los electrones se apareen proviene de las vibraciones de los átomos de la
red y una de las predicciones más importantes fue la existencia del gap superconductor
que explicaba numerosos experimentos y ayuda a predecir otros. “En el mismo año que
se propuso BCS Abrikosov predijo la posibilidad de que en algunos superconductores
existiera un estado mixto donde el material siguiera siendo superconductor pero se
permitieran pasar algunas líneas del campo magnético (no fuera un perfecto diamagneto)
a través de los vórtices. Estos superconductores se denominan de tipo II.”
En 1960 Giaver descubrió el efecto túnel en la unión metal-aislante-superconductor con
el cual pudo medir el gap superconductor. Este descubrimiento fue una pieza muy
importante para el desarrollo del microscopio por efecto túnel (STM) el cual es capaz
de producir imágenes de superficies a nivel atómico. En 1962 Josephson descubrió que
los pares de Cooper logran pasar por el efecto túnel entre dos superconductores, además
sin tener ninguna diferencia de potencial entre ellos, dando así un lugar a la densidad de
super corriente. Campos magnéticos. Según Olmo, R. (s.f.) los campos magnéticos son
producidos por corrientes eléctricas y pueden ser corrientes microscópicas con los
electrones en órbita atómica o corriente macroscópica en cables. Se define en función de
la fuerza que es ejercida sobre las cargas móviles en la ley de la fuerza de Lorentz, la cual
habla de que la fuerza eléctrica es simplemente recta y la dirección del campo depende
de si es positiva o negativa. “En principio la superconductividad puede considerarse como
una transición de fase que se produce bien por aumento de la temperatura, por variación
del campo magnético aplicado hasta un valor determinado, o por el paso de una densidad
de corriente mayor de un determinado valor a causa de los cuales el superconductor pasa
de nuevo a estado normal en el que va a conducir de nuevo con un cierto valor de
resistencia”

.
 Efecto Meissner
Trata de la expulsión espontánea de las líneas de flujo magnético, que ocurren en la
transición hacia la conductividad. El State of New South Wales, Department of Education
and Training (2006) comenta que esto es posible cuando se llega a la temperatura crítica,
y aparecen dos propiedades. Lo primero es que la resistencia eléctrica rápidamente se
tira a cero, y segundo se convierten en perfectos diamagnéticos, puesto que excluyen
todo flujo magnético del superconductor. Los materiales pueden ser metales tradicionales
o materiales que se creían anteriormente como insuladores. Al crear un campo magnético
opuesto al existente, prohíben que el campo magnético penetre el interior del
supercapacitor.

La imagen corresponde a que cuando T>Tc las líneas de flujo podrían penetrar el
superconductor, pero cuando T<Tc, las líneas magnéticas de flujo lo expulsan
abruptamente.
Teoría Ginzburg-Landau
Según la Universidad Nacional de La Plata (2018) es una teoría de campo medio
que describe una gran variedad de transiciones de fase. La idea principal es expresar
la energía libre del sistema en serie de potencias de un parámetro de orden. En esta
los signos de los primeros coeficientes en la expansión son los que determinan si el
sistema sufrirá una transición de fase y cual es el orden de esta misma. Está también
construye la energía libre como una función de un parámetro de orden, siendo que los
mínimos de esta dan el valor del parámetro de orden cuando el sistema se encuentra
en equilibrio térmico.
“En la ausencia de un campo magnético, la transición a la fase superconductora, es una
transición de segundo orden. La teoría general de transición de fase ya incluye un cierto
parámetro de orden, el cual en el equilibrio es nulo en la fase ordenada y no nulo en la
fase desordenada. En los superconductores, donde la fase ordenada es la fase
superconductora, para el parámetro de orden se escoge una función compleja ψ la cual
desempeña el papel de “una función de onda efectiva para los electrones
superconductores” en un sentido estricto ψ sería una pseudo función de onda. En
consecuencia, ψ puede ser determinada precisamente salvo una constante de fase, dado
que no hay una conexión mecano-cuántica entre ψ y las cantidades observables en esta
teoría, ψ puede ser normalizada en una forma arbitraria de modo que (ψ), represente la
concentración de n de los “electrones superconductores”.
Teoría BCS
Esta teoría trata sobre la superconductividad, pero específicamente los superconductores
tipo I o ideales. Nave, R., Olmo, M. (2016) describen que, dentro de ella se explica el
emparejamiento de los electrones (pares de Cooper) a través de una red cristalina, donde
interactúan. El emparejamiento es resultante de las vibraciones de red, cuando sucede el
acoplamiento en la red, se le nombra interacción de fonón; el comportamiento de
electrones en pares es muy distinto a los electrones individuales, ya que los que están en
pares tienen la capacidad de condensarse en el mismo nivel de energía, esto es debido a
su inhibición a la resistividad ordinaria. Esto es debido a que contienen una energía
ligeramente inferior, dejando un hueco de energía encima de ellos, anulando cualquier
clase de interacciones de colisión.

En la imagen anterior se representa gráficamente como al momento que un electrón viaja,

tiene la capacidad de atraer otro electrón a través de una red de iones, he aquí donde
sucede el fenómeno de par de Cooper. En el instante que ocurre el emparejamiento, los
electrones liberan una estela por toda la red cristalina, esto es aprovechado por los
próximos pares. Cuando la temperatura del material superconductor sube, se
incrementan los vibraciones en la red cristalina y los átomos. Esto perjudica la
superconductividad, dado a que la vibración en exceso ocasiona una ruptura entre los
pares de electrones, anulando la estela para los próximos pares. Sin embargo, la Teoría
BCS actualmente no satisface las funciones de los nuevos materiales, puesto que las
temperaturas críticas de estos componentes son superiores al Cero Absoluto, ya que no
cumple las características de explicación.
Superconductores VS Conductores Convencionales Según Xunta de Galicia (2018) La
corriente eléctrica es el movimiento de cargas a través de un conductor pero para que
haya circulación de cargas necesitamos que exista una diferencia de cargas entre un
extremo del conductor y el otro, de esta manera los electrones con carga negativa son
atraídos por el polo positivo, ya que tienen menor número de electrones por lo cual es el
polo que tiene menor energía, este movimiento continúa hasta que las cargas se
equilibran, este es el sentido real de la circulación pero como este fenómeno se descubrió
antes de la existencia de los electrones, se decidió entre todos los científicos que el
sentido de la circulación de la corriente eléctrica sería desde el polo positivo al polo
negativo, a esto se le conoce como el sentido convencional de la circulación de las
corrientes.

Según Sánchez, F. (2012) Por otra parte un superconductor no presenta resistencia al

paso de corriente, si no que además tiene otra propiedad importante que es una
capacidad para apantallar un campo magnético. Si este se enfría por debajo de su
temperatura crítica y se coloca en presencia de un campo magnético, este crea un
corriente de apantallamiento capaces de generar un campo magnético opuesto al
aplicado. Esto pasa hasta que el campo magnético alcanza un valor llamado campo
crítico, en el que el superconductor deja de apantallar el campo magnético y el material
transita a su estado normal.
En estas condiciones de temperatura no solo pueden transportar energía eléctrica sin
ninguna pérdida, sino que también poseen la propiedad de rechazar las líneas de un
campo magnético aplicado. La característica más importante de superconductor es la
máxima densidad de corriente que el superconductor es capaz de transportar sin
resistencia y la mayoría de los superconductores manifiestan su propiedad solamente en
temperaturas muy bajas. También están los superconductores convencionales y los de
alta temperatura, pero los primeros necesitan helio líquido para enfriar, los segundos
pueden enfriarse con nitrógeno líquido el cual es más accesible y barato con el cual se
pudieron hacer numerosas aplicaciones. Otra característica es la anisotropía que
demuestra que existen planos en los que se refiere a la estructura atómica que presenta
mejor conductividad entre muchos otros. Todos los superconductores de alta temperatura
son tipo II y no convencionales.
Aplicaciones
Imagen por Resonancia Magnética

En estas condiciones de temperatura no solo pueden transportar energía

eléctrica sin ninguna pérdida, sino que también poseen la propiedad de rechazar las
líneas de un campo magnético aplicado. La característica más importante de un
superconductor es la máxima densidad de corriente que el superconductor es capaz de
transportar sin resistencia y la mayoría de los superconductores manifiestan sus
propiedades solamente en temperaturas muy bajas. También están los superconductores
convencionales y los de alta temperatura, pero los primeros necesitan helio líquido para
enfriar, los segundos pueden enfriarse con nitrógeno líquido el cual es más accesible y
barato con el cual se pudieron hacer numerosas aplicaciones. Otra característica es la
anisotropía que demuestra que existen planos en los que se refiere a la estructura
atómica que presenta mejor conductividad entre muchos otros. Todos los
superconductores de alta temperatura son tipo II y no convencionales. Aplicaciones
Imagen por Resonancia Magnética Esta técnica médica es utilizada en la radiología, para
formar imágenes anatómicas y de procesos biológicos. Aarnink, R., Overweg, J. (2012)
mencionan que, gracias a la superconductividad, estos escáneres pueden alinear los
momentos magnéticos débiles de los protones en el cuerpo de un paciente con un campo
magnético. Esto es únicamente posible con electromagnetos superconductivos, la fuerza
del campo es generada por la corriente conductora, que se calcula con la Ley de
𝐼𝑁
Amperaje, utilizando la siguiente fórmula: 𝐵 = 𝜇0 𝐿

Donde B es la fuerza del campo, I la corriente por vuelta, N el número de vueltas, L la

longitud de la espira y μ es la permeabilidad del espacio libre. El material superconductor
utilizado es el titanio de niobio, que es enfriado con helio líquido por debajo de su
temperatura crítica.
Imanes superconductores
Nave, R. (2016) describe que los superconductores tipo II o duros, tales como los de
titanio de niobio, que se utilizan para fabricar las espiras. Cuando son producidos como
cables, pueden soportar altos campos magnéticos. De los cuales, puesto sobre una matriz
de cobre, que ayuda a dar una estabilidad mecánica y brinda un camino a grandes
corrientes en caso de que la superconductividad sea perdida. Estos imanes pueden
utilizar geometría solenoide, como cualquier otro electromagneto, es decir, formación de
cable en forma de espiral, donde el campo magnético se forma uniformemente en el
centro del solenoide, teniendo un campo exterior débil y divergente.

Tren de levitación magnética de alta velocidad

Según Sánchez, F. (2012) este es un sistema de transporte que utiliza la suspensión, guía
y propulsión de vehículos, al utilizar un gran número de imanes para la sustentación y la
propulsión a base de levitación magnética (la cual también se llega a utilizar en montañas
rusas y propulsión de naves espaciales). Un tren de levitación es un vehículo el cual se
encuentra suspendido sobre el carril, algunos a 1 cm o hasta 15 cm. y se desliza sobre el
mismo. Puede llegar a alcanzar en vacío la velocidad de 6,400 km/h pero gracias al
rozamiento del aire la velocidad registrada hasta ahora es de 581 km/h, su principio de
funcionamiento es en la atracción/repulsión entre dos campos magnéticos. Es el sistema
EMS (electro magnetic suspension) el cual es poner en la parte inferior del tren e inferior
de rail unos electroimanes que al circular por ellos mismos una corriente eléctrica sobre
eleva a el tren y unos imanes guia (repulsión), situados en la vía y tren se encarga de
centrar la unidad en los rieles. Cables de superconductores de alta temperatura. Segun
Sanchez, F (2012) Estos son cables de transporte de electricidad que se llegan a enfriar
con el nitrógeno líquido con lo cual consiguen la propiedad de superconductividad,
también presentan una resistencia eléctrica casi nula en lo que es su temperatura de
funcionamiento la cual es aprox. de -200 ℃. Pueden transportar cinco veces más potencia
eléctrica que los cables actuales, en un espacio cinco veces menor, sin emitir ningún
campo electromagnético ni calor.

Conclusión
La utilización de estos superconductores es esencial para la levitación de nuevos y
modernos trenes que nos permita alcanzar grandes velocidades, algo que consiga
cambiar el sistema de transporte por completo. A su vez, las centrales eléctricas pueden
remplazar métodos convencionales en sus sistemas de producción y mantenimiento. Por
tanto, existe una condición a la hora de utilizar esta tecnología: solo puede ser de utilidad
en situaciones en las que puede enfriar los componentes de su sistema hasta cerca del
cero absoluto, como, por ejemplo, en aceleradores de partículas y reactores de fusión
nuclear experimentales.
Los superconductores se encuentran entre los materiales más extraños y emocionantes
que se han descubierto hasta la fecha en el campo de la tecnología, ya que su uso y
aplicación podría revolucionar por completo el concepto que tenemos de la propia energía

Bibliografía
Nave, R., Olmo, M. (2016). Teoría BCS de la SUPERCONDUCTIVIDAD. Recuperado
de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/bcs.html
Bonilla, Y. (2011). Teoria de Ginzburg-Landau y Superconductividad. Recuperado de
https://es.slideshare.net/yohanabonillagutierrez/teora-de-ginzburglandau-y-
superconductividad
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, ICMM-CSIC (s.f).
SUPERCONDUCTIVIDAD. Recuperado de
https://wp.icmm.csic.es/superconductividad/investigacion/historia/
XUNTA DE GALICIA, (2018). CORRIENTE ELÉCTRICA. Recuperado de
https://www.edu.xunta.gal/centros/iesastelleiras/aulavirtual2/pluginfile.php/18990/mod_res
ource/content/0/corriente_electrica_3o_eso.pdf