Superconductores

REPLICACIÓN E INNOVACIÓN EN LA SUPERCONDUCCIÓN A ALTA TEMPERATURA

Objetivos:

General

● Verificar a través del efecto Meissner la superconductividad a alta temperatura de diferentes materiales.

Específicos

● Replicar un superconductor de alta temperatura.

● Probar una nueva mezcla para un material superconductor según las características de los ya existentes.

Marco Teórico

Los orígenes de la superconductividad se dan alrededor del siglo XIX cuando el interés de los físicos está centrado en licuar diferentes gases ya que Faraday perfeccionó una técnica para licuar gases; la mayoría de los gases se licúan a muy bajas generalmente, el Oxígeno se logró licuar en 1867 por Luis Cailletet y llegaba a una temperatura de 90,2k; el Helio se licúa 40 años después en 1908 llegando a 4,22k y éste sí permitió la investigación de propiedades de la materia a temperaturas cercanas al cero absoluta y una de las de mayor interés fue la de la resistividad eléctrica de los metales; las teorías planteadas en 1908 (gráfica 1) decían que la resistividad y la temperatura están relacionadas ya que el primer postulado (A) de ésta teoría era que la resistividad se debía a las vibraciones de la red atómica; el segundo postulado (B) era que la dispersión de los electrones se debía a la presencia de impurezas del material y el tercer postulado (C) decía que al disminuir demasiado la temperatura y acercarse al cero absoluto esto también restringiría el movimiento de los electrones.

gráfica 1

Onnes trató de comprobar esas teorías al llevar Mercurio (metal más fácil de obtener con una altísima pureza) a temperaturas muy cercanas al cero absoluto ya que el contaba con diversos gases licuados; Onnes observó que al ir enfriando un material su resistividad eléctrica disminuye de manera directa desde los 4,40k hasta los 4,22k hasta llegar una temperatura de 4,15k, su temperatura crítica (Tc), donde su resistividad desapareció abruptamente (gráfica 2) y además este cambio se daba al cambio de una diezmilésima de grado; a este estado le denominó superconductor.

Estos principios se deben al concepto de entropía (S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos; en términos simples esta mide el orden o desorden de un sistema, además es directamente proporcional a la temperatura.

gráfica 2

A grandes rasgos se le dice superconductividad a la condición de un material que bajo ciertas condiciones, de temperatura y campo magnético, adquiere una resistividad eléctrica de cero y además una propiedad que permite comprobar este estado es si presentan el efecto Meissner, es decir, básicamente el comportamiento de un diamagnético perfecto.

El efecto Meissner es una propiedad de los superconductores tan importante como la resistencia nula. La expulsión del campo magnético se debe a la formación de corrientes superficiales en el superconductor que crean un campo magnético igual y opuesto al campo externo. Los imanes producen campos magnéticos. El efecto Meissner da lugar a repulsión entre un imán y un superconductor de forma que levitan uno sobre el otro. Si el campo magnético es suficientemente fuerte o la temperatura es alta se destruye la superconductividad y la levitación no ocurre.

En 1933 Walter Meissner y Robert Ochsenfeld se encontraban midiendo la distribución de flujo magnético en el exterior de muestras de plomo y estaño cuando, al disminuir la temperatura de estas muestras por debajo de un determinado valor crítico se dieron cuenta de que el campo magnético en el interior de las muestras se anula por completo. Esto significa que por debajo de cierta temperatura (denominada temperatura crítica), y en presencia de un campo magnético, todas las líneas de campo son expulsadas del interior del material, por lo que se comporta como un material diamagnético perfecto (es decir, que es repelido por un campo magnético, en oposición a los materiales ferromagnéticos, que son los atraídos por los campos magnéticos). Las muestras de plomo y estaño comenzaron a levitar.

A este fenómeno se le denominó el efecto Meissner y sirvió de base para definir la Superconductividad, que aunque ya se conocía desde 1911, no fue comprendida en profundidad hasta más adelante, ya que en esa época no se disponía de las herramientas matemáticas suficientes para ello.

Para explicar mejor el concepto de superconductividad es necesario recurrir a la conductividad que se puede explicar mediante la teoría de las bandas (gráfica 3) en donde se dice que los orbitales atómicos se combinan formando así orbitales moleculares y al interactuar n orbitales atómicos se generarán n orbitales atómicos (gráfica 4) y estos forman unas bandas de energía, la banda de valencia y la banda de conducción, la separación entre estas bandas determina la conductividad de un material; mientras más cerca están, la conductividad será mayor, mientras que si hay un espacio energético muy grande el material ya no se consideraría un conductor sino un aislante.

gráfica 3

gráfica 4

Según lo anterior se puede decir que generalmente los metales suelen tener conductividades altas por lo que las bandas de valencia y conducción están muy próximas o solapadas, mientras que las cerámicas por ejemplo son aislantes por excelencia tanto de calor como de electricidad; ahora bien cerámicas, por ejemplo, tienen la peculiaridad de que son muy buenos aislantes a menos que se los lleve a su temperatura crítica en donde espontáneamente se vuelven superconductores.

La temperatura crítica (Tc) también se conoce como temperatura de transición y es la cúal la resistencia del material se vuelve cero, pero si la temperatura supera este punto el material retorna a su comportamiento normal perdiendo las propiedades superconductoras, esta transición puede ocurrir en un diezmilésimo de Kelvin y contra todo pronóstico los materiales con Tc más elevadas fueron algunas cerámicas que son aislantes por excelencia a temperaturas normales.

Las cerámicas son sólidos cristalinos compuestos por la combinaciones de metales y no metales o solamente no metales, presentan enlaces de tipo iónico y covalente y son muy resistentes a la temperatura y la corrosión, en consecuencia aislantes térmicos y eléctricos; el proceso de formación de una cerámica consiste en formar un sólido cristalino a partir de una solución.

Técnica del prensado en seco.

La pasta empleada en el proceso es de consistencia seca, con contenidos de humedad no mayores del 10%. En el proceso de fabricación se emplean máquinas que forman las piezas cerámicas en moldes metálicos a base de presión, proceso semejante al que se emplea en la fabricación de bloques de concreto, salvo que la maquinaria no aplica vibración.

Secado.

Una vez que las piezas cerámicas han sido formadas se les transporta al lugar donde deberán secarse, en el caso de que el proceso de elaboración sea intermitente, el lugar secado es generalmente un espacio techado y protegido del viento, en el caso de un proceso continuo la etapa siguiente será el secado automático o controlado. Dependiendo de la temperatura de secado el tiempo mínimo para esta etapa oscila entre 24 y 48 horas, cuando se emplean cámaras de secado, en el caso de piezas de campo el tiempo es cuestión de varios días.

En ocasiones, al final del secado se aplica un vidriado a las piezas cerámicas que así lo ameriten, el propósito del tratamiento es el de proporcionar impermeabilidad a una o más caras de la pieza cerámica. Los productos empleados son esmaltes preparados a base de vidrio molido y fundido, el cual es chupado por la pieza sellando las porosidades, este tratamiento evita la apertura de grietas y da una mayor durabilidad a la superficie tratada.

Cocción y Enfriamiento.

Una vez secas, las piezas cerámicas se someten a temperaturas elevadas para lograr la cocción de los minerales arcillosos. En las técnicas rústicas o de campo se emplean los hornos intermitentes, el horno se carga con piezas secas, aplicándose de tal manera que el aire caliente pase a través de ellas, el fuego se enciende en la parte inferior (leña, diesel, etc.) y se mantiene por las horas que sea necesario hasta que las piezas se cosen, posteriormente se dejan enfriar y se sacan para constituir lo que se llama una horneada.

Las técnicas modernas emplean hornos de tipo continuo, donde las piezas cerámicas son sometidas a diferentes temperaturas. Inicialmente las piezas reciben un calentamiento paulatino para evitar los cambios térmicos bruscos, luego, según avanzan las piezas en el proceso, se aumenta la temperatura hasta producirse el fenómeno de la deshidratación entre 149-982°C, luego sigue la etapa de oxidación entre 532-982°C y finalmente el de vitrificación entre 871-1315°C. A continuación las piezas pasan por otras secciones donde la temperatura desciende poco a poco hasta una temperatura lo suficientemente baja para poder mover las piezas al área de enfriamiento final. El proceso completo puede durar entre 48 y 72 horas; el tamaño influye de manera considerable el tiempo.

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