Superconductor (Superconductividad)

¿Qué es un superconductor?

Un superconductor es un material que permite que la corriente eléctrica pase a través de él sin experimentar ninguna pérdida de energía. Los conductores estándar, como los hilos de cobre, poseen un nivel de resistencia eléctrica, que es lo que hace que se calienten cuando pasa una corriente eléctrica a través de ellos.

En cambio, los superconductores presentan una resistencia nula, por lo que no se calientan cuando circula corriente a través de ellos. Este fenómeno, conocido como superconductividad, tiene profundas raíces en la mecánica cuántica.

Historia

El concepto de superconductividad fue descubierto por primera vez en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, un científico holandés que estudiaba física de bajas temperaturas. Onnes descubrió que al enfriar el mercurio a temperaturas sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto, el mercurio era capaz de conducir la corriente eléctrica sin ninguna resistencia ni pérdida de energía.

Los experimentos y descubrimientos de Onnes formaron parte de la base sobre la que se asentaron los físicos posteriores: A temperaturas extremadamente bajas, los efectos de la mecánica cuántica se acentúan y el comportamiento de los electrones pasa a regirse por leyes cuánticas en lugar de por la física clásica.

Cómo funcionan los superconductores

La mayoría de los materiales necesitan estar en un estado de muy baja energía para ser superconductores.

Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor estándar como el cobre a temperatura ambiente, los electrones que navegan por la red de átomos de cobre pueden interactuar con las vibraciones de la red. Esta interacción da lugar a una resistencia que provoca la disipación de energía en forma de calor.

Sin embargo, cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor a una temperatura extremadamente fría, los electrones pueden formar pares que se mueven a través de la red de átomos del conductor como si fueran una sola entidad. Esto reduce drásticamente o incluso elimina la capacidad de los electrones para interactuar con las vibraciones de la red.

Esta falta de interacción con las vibraciones de la red (fonones) es un factor importante que contribuye a la ausencia de resistencia eléctrica en los superconductores.

Superconductores de tipo I y II

Existen dos categorías de superconductores: Tipo I y Tipo II. Un superconductor de Tipo I está formado por elementos conductores que tienen una temperatura crítica que oscila entre 0,000325 K y 7,8 K a presión estándar. En cambio, los superconductores de Tipo II están formados principalmente por aleaciones y compuestos metálicos que se vuelven superconductores a temperaturas más elevadas.

Sin embargo, la principal diferencia entre el Tipo I y el Tipo II es cómo responden a los campos magnéticos. Los superconductores de tipo I expulsan todo el flujo magnético por debajo de un determinado campo crítico, mientras que los de tipo II pueden acomodar cierto flujo magnético dentro de rangos específicos.

El efecto Meissner, por el que un superconductor expulsa prácticamente todos los campos magnéticos de su interior cuando se enfría por debajo de una determinada temperatura crítica, es un fenómeno que se observa tanto en los superconductores de Tipo I como en los de Tipo II. Sin embargo, el efecto Meissner se comporta de forma diferente en los superconductores de Tipo I y de Tipo II.

  • Tipo I: En los superconductores de Tipo I, que suelen ser superconductores elementales como el plomo y el mercurio, el efecto Meissner es muy pronunciado. Este tipo de superconductor presenta una transición brusca de su estado normal a un estado superconductor y aleja por completo los campos magnéticos cuando las temperaturas descienden por debajo del punto de transición.
  • Tipo II: En los superconductores de tipo II, que suelen ser materiales compuestos, la transición del estado normal al superconductor es gradual. La mayoría de los casos de uso y aplicaciones prácticas de los superconductores actuales se basan en superconductores de tipo II porque pueden tolerar campos magnéticos más intensos antes de volver a pasar del estado superconductor al estado normal.

Superconductores a temperatura ambiente

A pesar del increíble potencial de la superconductividad, la aplicación práctica de los superconductores plantea importantes retos. Uno de los mayores es el coste. Los superconductores actuales requieren métodos de refrigeración que consumen mucha energía para alcanzar y mantener bajas temperaturas.

Para hacer frente a este reto, los científicos han estado buscando nuevos compuestos que puedan mostrar superconductividad a temperatura ambiente (o cerca de ella).

En sus investigaciones, algunos físicos teóricos utilizan métodos computacionales avanzados, como las simulaciones cuánticas, para modelizar el comportamiento de los materiales en condiciones extremas e identificar posibles candidatos a la superconductividad a temperatura ambiente.

Aunque se han publicado algunos trabajos de investigación que han entusiasmado a la gente, hasta ahora no se conoce ningún material que presente superconductividad a temperatura ambiente o cerca de ella (alrededor de 20-25 °C o 68-77 °F).

Usos actuales de los superconductores

Hoy en día, los superconductores se utilizan para fabricar electroimanes potentes y eficaces para diversas aplicaciones.

Un electroimán es un tipo de imán que se crea haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un material conductor. La corriente eléctrica genera un campo magnético alrededor del material, convirtiéndolo en un imán temporal. La intensidad del campo magnético producido por un electroimán puede controlarse ajustando la cantidad de corriente que pasa por el material y encendiéndolo y apagándolo según sea necesario.

Los imanes superconductores ofrecen campos magnéticos más potentes y controlables que los imanes convencionales. Son muy eficientes energéticamente gracias a su resistencia cero, lo que los hace rentables para un uso continuo.

Sus ventajas se extienden a los campos de la medicina, la investigación y el transporte:

  • Imágenes por resonancia magnética (IRM): los imanes superconductores se utilizan en máquinas de IRM para crear campos magnéticos fuertes y estables para la obtención de imágenes médicas.
  • Aceleradores de partículas: Las cavidades de radiofrecuencia superconductoras se utilizan en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN para acelerar partículas a altas energías de forma más eficiente.
  • Trenes de levitación magnética (Maglev): Los materiales superconductores permiten a los trenes de levitación magnética flotar por encima de las vías, lo que permite un transporte de alta velocidad y energéticamente eficiente al reducir la fricción.
  • Investigación científica: Los superconductores se utilizan en diversos instrumentos y experimentos científicos, como los experimentos de física de alta energía y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear.
  • Electroimanes para la investigación de la fusión: Los imanes superconductores se emplean en reactores de fusión experimentales como los tokamaks para confinar y controlar el plasma a temperaturas extremadamente altas.
  • Magnetoencefalografía (MEG): Los sensores superconductores se utilizan en sistemas de MEG para cartografiar la actividad cerebral midiendo los campos magnéticos generados por las corrientes neuronales.

Ejemplos

He aquí algunos ejemplos de superconductores que se utilizan hoy en día:

  • Mercurio: Se convierte en superconductor a -269 grados Celsius (-452 grados Fahrenheit).
  • Niobio: Se vuelve superconductor a -245 grados Celsius (-410 grados Fahrenheit).
  • Diboruro de magnesio: Se vuelve superconductor a -195 grados Celsius (-319 grados Fahrenheit).
  • Óxido de itrio, bario y cobre: Se convierte en superconductor a -92 grados Celsius (-136 grados Fahrenheit).
  • Pnicítidos de hierro: Se vuelven superconductores a -55 grados Celsius (-67 grados Fahrenheit).

El futuro de los superconductores

Los superconductores pueden revolucionar los sistemas de distribución de energía al permitir la transferencia de electricidad a mayores distancias con pérdidas mínimas.

Otras aplicaciones clave son:

  • Aceleradores de partículas: Los aceleradores de partículas a gran escala, como los utilizados en la investigación de la física de partículas, requieren potentes campos magnéticos para guiar y controlar las trayectorias de las partículas aceleradas. Los imanes superconductores permiten crear campos magnéticos más fuertes y estables, mejorando las capacidades de estos aceleradores.
  • Generación de energía: Los generadores superconductores pueden producir más electricidad a partir de la misma cantidad de energía mecánica y permitir sistemas de producción de energía más sostenibles y eficientes.
  • Electrónica: Los superconductores pueden utilizarse en ciertos tipos de dispositivos electrónicos, como los dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID), que son magnetómetros extremadamente sensibles utilizados en diversas aplicaciones científicas y médicas.
  • Ordenadores cuánticos: Los qubits superconductores son candidatos prometedores para construir ordenadores cuánticos. Esto podría revolucionar la informática al resolver problemas complejos en campos como la criptografía.

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Margaret Rouse

Margaret Rouse es una galardonada escritora técnica y profesora conocida por su habilidad para explicar temas técnicos complejos a una audiencia de negocios no técnica. Durante los últimos veinte años, sus explicaciones han aparecido en sitios web de TechTarget y ha sido citada como autoridad en artículos del New York Times, Time Magazine, USA Today, ZDNet, PC Magazine y Discovery Magazine. La idea de diversión de Margaret es ayudar a profesionales de TI y negocios a aprender a hablar los idiomas altamente especializados de cada uno. Si tienes una sugerencia para una nueva definición o cómo mejorar una explicación técnica,…