Los superconductores y los materiales superconductores son metales, cerámicas, materiales orgánicos o semiconductores muy dopados que conducen la electricidad sin resistencia.
Los materiales superconductores pueden transportar electrones sin resistencia y, por tanto, no liberan calor, sonido u otras formas de energía. La superconductividad se produce a la temperatura crítica de un material específico (Tc). A medida que la temperatura disminuye, la resistencia de un material superconductor se reduce gradualmente hasta alcanzar la temperatura crítica. En este punto la resistencia cae, a menudo hasta cero, como se muestra en el gráfico de la derecha.
En la actualidad, la mayoría de los materiales deben alcanzar un estado de energía extremadamente bajo a través de bajas temperaturas y/o altas presiones para lograr la superconductividad. Aunque se están desarrollando superconductores de investigación que son eficaces a temperaturas más altas, la superconductividad suele ser posible sólo con procesos de enfriamiento caros e ineficientes.
Los superconductores presentan características únicas además de su capacidad para conducir perfectamente la corriente. Por ejemplo, muchos expulsan campos magnéticos durante la transición al estado superconductor. Esto se debe al efecto Meissner, por el que los materiales superconductores establecen corrientes eléctricas cerca de su superficie a Tc, cancelando así los campos dentro del propio material. Un imán estacionario sobre un superconductor demuestra este efecto: a medida que el superconductor se enfría a través de su temperatura crítica, la expulsión del flujo magnético del conductor hace que el imán levite sobre el material.
El efecto Meissner: el flujo magnético de un superconductor por encima (izquierda) y por debajo de la temperatura crítica.
Principios
Los principios de los superconductores pueden explicarse examinando varias fórmulas. En primer lugar, la falta de resistencia en un superconductor que transporta corriente puede ilustrarse mediante la ley de Ohm, R=V/I, donde R es la resistencia, V es el voltaje e I es la corriente. Dado que los materiales superconductores transportan corriente sin tensión aplicada, R=0. La superconductividad tampoco implica pérdida de potencia, ya que la potencia se define como P=I2R; dado que R es cero en un material superconductor, la pérdida de potencia es nula.
Estas fórmulas, junto con otros principios de los superconductores, se explican en el siguiente vídeo educativo.
Crédito del vídeo: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Tipos
Los superconductores se clasifican en materiales de tipo I y de tipo II.
Los materiales de tipo I muestran al menos cierta conductividad a temperatura ambiente e incluyen principalmente metales puros y metaloides. Tienen temperaturas críticas bajas, normalmente entre 0 y 10 K (-273°C y -263°C respectivamente). Como se ha comentado anteriormente, este tipo experimenta una disminución repentina de la resistencia, así como la expulsión completa de los campos magnéticos (perfectamente diamagnéticos) a la temperatura crítica.
Los metales del tipo I logran la superconductividad mediante la ralentización de la actividad molecular a través de las bajas temperaturas. Según la teoría BCS, esto crea un entorno propicio para el emparejamiento de Cooper, de modo que los pares de electrones son capaces de superar los obstáculos moleculares, lo que conduce al flujo libre de electrones sin voltaje aplicado.
El cobre, la plata y el oro son tres de los mejores conductores metálicos, pero no son superconductores. Esto se debe a sus estructuras de celdas unitarias cúbicas centradas en la cara (FCC), que están tan apretadas que las vibraciones de la red a baja temperatura, esenciales para la superconductividad, no logran coaccionar a los electrones libres en pares de Cooper. Aunque algunos metales de la FCC, como el plomo, son capaces de ser superconductores, esto se debe a factores externos como el bajo módulo de elasticidad del plomo.
La mayoría de los materiales de tipo II son compuestos o aleaciones metálicas, aunque el vanadio elemental, el tecnecio y el niobio también entran en este grupo. Son capaces de alcanzar la superconductividad a temperaturas críticas mucho más altas. Por ejemplo, las pruebas realizadas en 2015 con Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ arrojaron una Tc de 400 K (+129°C), más de 100°C por encima de la temperatura ambiente, aunque los materiales de tipo II más comunes tienen temperaturas críticas dentro del rango de 10-130 K. En 2015 no hay consenso científico sobre la razón de estas temperaturas críticas más elevadas.
Los materiales de Tipo II también adoptan un estado mixto, que contrasta con la resistencia en picado a Tc de los materiales de Tipo I, cuando se acercan a su temperatura crítica. Los estados mixtos son causados por el hecho de que los superconductores de Tipo II nunca expulsan completamente los campos magnéticos, por lo que se pueden ver «rayas» superconductoras microscópicas en el material.
Otras clasificaciones
La clasificación según los tipos anteriores se realiza teóricamente por el comportamiento del campo magnético. Los materiales de tipo I tienen una única temperatura de campo crítico por encima de la cual la superconductividad cesa por completo, mientras que los de tipo II tienen dos puntos de campo crítico entre los que puede existir un estado mixto. Otro método para clasificar los superconductores es el de la temperatura: los materiales de «baja temperatura» se sitúan por debajo de la superconductividad refrigerada por nitrógeno líquido y los de «alta temperatura» por encima. Los materiales de baja temperatura pueden enfriarse utilizando gases líquidos como el neón, el hidrógeno y el helio.
Una lista completa de las temperaturas críticas de los materiales superconductores puede encontrarse aquí para el Tipo I y aquí para el Tipo II.
El siguiente gráfico ilustra esta distinción, así como una línea de tiempo que muestra la historia de los descubrimientos de la temperatura crítica. Los materiales con temperaturas críticas superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido (alrededor de 77 K) se conocen como materiales de alta temperatura. El espectacular aumento de la Tc que se observa en el centro del gráfico es el resultado del descubrimiento de cupratos superconductores y perovskitas con alta Tc en 1986 y 1987.
Factores de forma del producto
Los proveedores de superconductores y materiales superconductores ofrecen productos en varias formas diferentes, algunas de las cuales se enumeran a continuación.
Los materiales superconductores en bruto incluyen compuestos químicos en forma de polvos o cristales. El polvo superconductor se incorpora a la fabricación de pilas de combustible más eficientes, membranas de separación de gases y baterías de iones de litio.
Los imanes se producen para aplicaciones MAGLEV y de resonancia magnética, como se comenta más adelante, así como para microscopía y espectroscopia NMR/EPR.
Los hilos y cables se utilizan en la transmisión de energía superconductora y en la investigación científica en campos magnéticos ultra elevados.
Los fabricantes de superconductores pueden especializarse en el avance de un determinado compuesto superconductor, como las fórmulas basadas en el niobio o el diboruro de magnesio (MgB2).
Aplicaciones
Los superconductores no están disponibles a gran escala comercial debido al amplio enfriamiento necesario para alcanzar los estados superconductores. Son comunes en unas pocas aplicaciones especializadas, entre ellas:
Los trenes MAGLEV utilizan imanes superconductores para eliminar prácticamente la fricción entre el tren y las vías. El uso de electroimanes convencionales supondría el desperdicio de grandes cantidades de energía por la pérdida de calor y la necesidad de utilizar un imán difícil de manejar, mientras que los superconductores ofrecen una eficiencia superior y unos imanes más pequeños.
La imagen por resonancia magnética (IRM) utiliza campos magnéticos generados por superconductores para interactuar con los átomos de hidrógeno y las moléculas de grasa del cuerpo humano. Estos átomos y moléculas liberan entonces energía que se detecta y se convierte en una imagen gráfica. La resonancia magnética es un método radiográfico muy utilizado para el diagnóstico médico o la estadificación de enfermedades como el cáncer.
Los generadores eléctricos construidos con cables superconductores han alcanzado índices de eficiencia del 99% en pruebas experimentales, pero aún no se han construido comercialmente.
La generación de energía eléctrica mediante cables y transformadores superconductores se ha probado y demostrado experimentalmente.
Normas
Varias normas y manuales publicados abordan la superconductividad y los superconductores. Algunos ejemplos son:
- BS EN 61788-Superconductividad (serie)
- IET-Teoría electrodinámica de los superconductores
- Wiley-Materiales semiconductores de alta temperatura a granel