I)   INTRODUCCIÓN A LA SUPERCONDUCTIVIDAD

1. ¿QUÉ ES LA SUPERCONDUCTIVIDAD?

            Para empezar debemos tener conocimiento de unos cuantos conceptos básicos que nos ayudarán a comprender mejor el tema.

·         Debemos saber, en primer lugar, que la electricidad es sencillamente un flujo de electrones. Este flujo es denominado corriente. (explicar la razón por la cual se genera este flujo).

·         El material que permite que dichos electrones (corriente) fluyan recibe el nombre de conductor. Ejemplos de buenos conductores los encontramos en materiales como el cobre, el aluminio, la plata y el oro.

·         Existen otro tipo de materiales que no permiten que los electrones fluyan, denominados no conductores o aislantes.

·         Los materiales que conducen la electricidad, pero no lo hacen tan bien como el cobre u otros conductores reciben el nombre de semiconductores.

·         La resistencia es una impedancia u obstáculo al flujo de la electricidad. Las razones de la resistencia eléctrica de un material hay que buscarlas en su estructura atómica.  Así, los conductores presentan una resistencia muy baja al flujo de electrones (una parte de la electricidad que se propaga a través de ellos se pierde).; los semiconductores presentan algo de resistencia, pero no la suficiente para evitar el flujo de electrones; y los no conductores o aislantes tienen una resistencia muy alta.

            Heike Kamerlingh Onnes, un físico holandés, fue el descubridor, en 1911, de la superconductividad. Estudiando los efectos que producían las temperaturas muy bajas en las propiedades de los metales, descubrió que el mercurio perdía toda su resistencia al flujo de la electricidad cuando se enfriaba aproximadamente a una temperatura de 4 K.

            Así, en 1911 se descubre la superconductividad. Los superconductores son unos materiales capaces de permitir el paso de la corriente eléctrica presentando una resistencia prácticamente nula. Cuando fluye corriente a través de un superconductor, no se produce ninguna pérdida, por lo que podría fluir eternamente, pues no hay nada que se oponga a ello.

            Onnen prosiguió con sus investigaciones sobre la superconductividad en otros metales. Para conseguirlo, debía enfriar el material a temperaturas próximas al Cero Absoluto (0 K). El enfriamiento se llevaba a cabo sumergiendo el futuro superconductor en helio líquido (que se licua aproximadamente a 4 K).

            Onnen llevo a cabo la siguiente experiencia.: hizo pasar corriente a un superconductor al que le había dado forma de anillo, manteniéndolo refrigerado con helio líquido, y un año después de haber retirado la fuente de electricidad del superconductor la corriente todavía seguía fluyendo, sin haber disminuido.

            A todo esto se le dio importancia en su época, sin embargo, la necesidad de emplear temperaturas bajas, el coste y la complejidad del equipamiento para hacer el helio y líquido y la incapacidad de los superconductores para resistir campos magnéticos intensos, propiciaron una escasa repercusión tecnológica.

Subiendo las temperaturas

            Como comentábamos, refrigerar un material superconductor a temperaturas cercanas al Cero Absoluto ha sido siempre una grave dificultad. El helio líquido se utiliza para enfriar los materiales a temperaturas del orden de 4 K. Tanto el elemento como el equipo de enfriamiento son muy caros. Los gastos de refrigeración han sido siempre mayores que el ahorro de energía que podían ofrecer los superconductores. Por ello no se han substituido por los conductores y la superconductividad se ha mantenido en el laboratorio. Para salir de éste, se deben superar los problemas de refrigeración, y para ello destacamos dos caminos:

·         Utilizar otros sistemas de refrigeración menos caros y voluminosos que el helio líquido.

·        Descubrir materiales que presenten superconductividad a temperaturas más altas. Así, si la temperatura a la cual se manifiesta la superconductividad (llamada temperatura crítica) fuera más alta, se podrían emplear sistemas de refrigeración más sencillos y económicos.

            La primera posibilidad es más remota que la segunda. El mejor método de refrigeración a temperaturas extremadamente bajas es el del helio líquido. La segunda opción presenta más posibilidades. Un ejemplo de ello es que, para subir la temperatura crítica, algunos científicos mezclaron compuestos formando aleaciones superconductoras. Así:

·         En 1933 la temperatura crítica subió a 10 K.

·         En 1969 alcanzó los 20 K. Éste fue un paso importante, ya que a partir de entonces se podía utilizar el hidrógeno, que licua a esa temperatura.

·         En 1986, Alex Müller y Georg Bednorz, sintetizaron un material cerámicos que presentaba superconductividad a 30 K.

·         En 1987, Ching-Wu Chu desarrolló un superconductor con una temperatura de 98 K. Con lo cual se podía utilizar el nitrógeno, que se licua a 77 K. Ya era posible desarrollar dispositivos superconductores prácticos, eficientes y de bajo coste.

·        Algunos científicos han logrado superconductividad a temperaturas superiores a los 230 K.

            Los científicos sueñan con superconductores a temperatura ambiente (293 K), que no necesiten refrigerarse.

            Los nuevos superconductores plantean problemas como: generar campos magnéticos intensos al no poder soportar corrientes eléctricas tan altas; y la dificultad de construir en cables, anillos y otras formas.

Diferencias y semejanzas entre superconductores y conductores

            Hay algunas características de los materiales superconductores del tipo metálico (W, Ir, Ti, In, Sn, Hg, Pb, Nb) que no cambian con la transición al estado superconductor, entre ellas podemos señalar las siguientes:

1) No hay cambio en la simetría de la red cristalina. Prácticamente no hay cambio en la estructura electrónica.

2) No hay cambio apreciable en las propiedades ópticas del material, aunque éstas están usualmente relacionadas con la conductividad eléctrica.

3) En ausencia de un campo magnético aplicado sobre la muestra, no hay calor latente en la transición.

4) Las propiedades elásticas y de expansión térmica no cambian en la transición.

        Hay algunas propiedades que cambian en la transición al estado superconductor como:

1.      Las propiedades magnéticas (que cambian radicalmente). En el estado superconductor puro prácticamente no hay penetración de flujo magnético en el material

2.      El calor específico, que cambia discontinuamente a la temperatura de transición. En presencia de un campo magnético se produce también un calor latente de la transformación.

3.      Todos los efectos termoeléctricos desaparecen en el estado superconductor.

4.      La conductividad térmica cambia discontinuamente cuando se destruye la superconductividad en presencia de un campo magnético.

          Podemos destacar algunas aleaciones del tipo cerámico, que son de reciente descubrimiento. Son lo que consideramos materiales de alta temperatura, y destacan por eso mismo, por su temperatura crítica relativamente elevada si lo comparamos con metales puros (por ejemplo, la temperatura crítica del Sn es de 3’72 K). Aquí tenemos una tabla comparativa:

Ventajas

           Los superconductores ofrecen cuatro grandes ventajas sobre los conductores normales que podrían ser explotadas en muchas aplicaciones:

1. Los superconductores conducen la electricidad sin pérdida de energía. Se podrían utilizar en lugar de los conductores para ahorrar energía.

2. No generan calor cuando se hace pasar corriente eléctrica por ellos, ya que en un conductor ordinario, la resistencia provoca que se pierda energía en forma de calor.

3. Capacidad de crear campos magnéticos intensos. Estos campos magnéticos pueden ser generados por imanes superconductores relativamente pequeños.

4. Pueden utilizarse para formar uniones Josephson. Estas uniones son conmutadores superconductores. (Un conmutador es un aparato destinado a sustituir una porción de circuito por otra, o bien  a modificar sucesivamente las conexiones de varios circuitos.). La unión Josephson es capaz de conmutar a una velocidad 100 veces superior a la de un transistor.