Download Superconductividad

Superconductividad
para los profesores y
los estudiantes
secundarios
Desarrollado por:
CEFA, Centro de Análisis y Proyecciones Económicas
Universidad Estatal de la Florida
Dr. Tim Lynch
Auspiciado por : HTS State Outreach
Centro: DE-PS36-03GO93001-11
La superconductividad es un campo
emocionante de la física! (El cuadro muestra la levitación
de un imán sobre un superconductor, el efecto de Meissner, que será discutido
adelante.)
Fuente: Universidad de Oslo, Laboratorio de superconductividad
Definición
• Se define como superconductividad al flujo de
corriente eléctrica sin resistencia en ciertos
metales, aleaciones y cerámica a temperaturas
cercanas al cero absoluto y en algunos casos
en temperaturas cientos de grados sobre el
absoluto cero = -273ºK.
Equivalencia de temperaturas
Temperaturas
F
C
K
Hervor del agua
212.0
100.0
373.2
Temperatura corporal
98.6
37.0
310.2
Temperatura al interior
de un edificio
Congelamiento del agua
77.0
25.0
298.2
32.0
0.0
273.2
Congelamiento del
mercurio
Hielo seco
-37.8
-38.8
234.4
-108.4
-78.0
195.2
Oxigeno Liquido
-297.4
-183.0
90.2
Nitrógeno Liquido
-320.8
-196.0
77.2
Helio Liquido
-452.1
-269.0
4.2
Cero Absoluto
-459.7
-273.2
0.0
Equivalencia de temperaturas
Fórmulas para transformar
temperaturas:
 Grados Fahrenheit = (9/5 * Celsius) + 32
 Grados Celsius = 5/9(Grados Fahrenheit 32)
 Grados Kelvin = Degrees Celsius + 273
Descubridor de la
Superconductividad
 La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés, Heike
Kammerlingh Onnes.
Fuente: Fundación Nobel
El Descubrimiento
 Onnes, pensó que la resistencia en un alambre frío se
disiparía. Claramente al decrecer la resistencia se
permitiría una mejor conducción de electricidad.
 En un cierto punto de la temperatura muy baja, los
científicos creían que habría una nivelación pues la
resistencia alcanzó un cierto valor mínimo permitiendo
que la corriente fluya con poco o nada de resistencia.
 Onnes pasó una corriente a través de un alambre de
mercurio puro y midió su resistencia mientras que él bajó
constantemente la temperatura. Para su sorpresa no habia
ninguna resistencia a 4.2K.
A 4.2K, la resistencia eléctrica (la oposición de
un material al flujo de la corriente eléctrica)
desapareció, lo que significó en una conducción
extremadamente buena de Electricidad:
Superconductividad
Fuente: Guía sobre superconductividad para los estudiantes de secundaria
Superconductividad hoy en día
 Hoy en día sin embargo, la
superconductividad se está aplicando a muy
diversas áreas como por ejemplo: medicina,
aplicaciones militares, transporte, producción
de energía, electrónica, entre otras.
La ciencia de la
superconductividad
 Los superconductores tienen la capacidad
de conducir electricidad sin pérdida de
energía. Cuando la corriente fluye en un
conductor ordinario, por ejemplo el
alambre de cobre, se pierde una cierta
cantidad de energía debido a la resistencia.
La ciencia de la
superconductividad, cont.
 El comportamiento de electrones dentro de un
superconductor es sumamente diferente a lo que se da en
un conductor regular.
 Las impurezas y rosamiento todavía están allí, pero el
movimiento de los electrones superconducidos cambia.
 Cuando los electrones son superconducidos viajan a
través del conductor sin obstáculo alguno en el complejo
enredaje del cable.
 Debido a que no topan en nada y por ello no crean
ninguna fricción, no existe resistencia ni pérdida de
energía.
La ciencia….
 La comprensión de la superconductividad avanzó importantemente para
1957 gracias a tres físicos americanos, Juan Bardeen, Leon Cooper y Juan
Schrieffer, con su teoría de la superconductividad, conocida como la teoría
de BCS.
Bardeen, Cooper, and Schrieffer, respectivamente.
Fuente: Fundación Nobel
 La teoría de BCS explica como se da la superconductividad en las
temperaturas cerca del absoluto cero.
 Cooper se dio cuenta que las vibraciones atómicas eran directamente
responsables de unificar enteramente la corriente.
 Forzaron a los electrones para separarse en equipos que podrían pasar todos
los obstáculos que causaban resistencia en el conductor.
La ciencia….
 La teoría de BCS demuestra con éxito que los electrones
se pueden atraer a uno otro a traves de interacciones en el
enrejado cristalino. Esto ocurre a pesar del hecho de que
los electrones tienen la misma carga.
 Cuando los átomos del enrejado oscilan entre las regiones
positivas y negativas, el par de electrones se junta y se
separa alternativamente sin que exista colisión alguna.
 La formación de pares de electrones es favorable porque
tiene el efecto de poner el material en un estado más bajo
de la energía.
 Cuando los electrones se ligan juntos en pares, se mueven
a través del superconductor en una manera ordenada.
La ciencia…
 Uno puede imaginar un metal como enrejado de iones
positivos, que pueden moverse como si estubiesen unidos
por los resortes. Los electrones que se mueven a través
del enrejado constituyen una corriente eléctrica.
 Normalmente, los electrones se rechazan y son
dispersados por el enrejado, creando resistencia.
 Cuando un electrón pasa y es atrío hacia esta región
positiva gracias a la superconductividad le sigue un
segundo electrón y ellos viajan juntos a través del
enrejado.
En términos simples…
 Cuando los átomos se unen para formar un sólido, crean lo qué se llama un
enrejado. Un enrejado es como una selva que liga todos los átomos juntos.
La electricidad puede moverse a través de un enrejado usando las partes
externas de los átomos - los electrones. Pero imagínese que la selva se está
sacudariendo. Esto haría muy difícil que una persona pase por medio de esta
selva, especialmente si tiene prisa, esto es lo que pasa con los electrones.
Están chocando constantemente con los átomos que vibran debido al calor
dentro del enrejado.
 Para solucionar este problema, imaginese que usted está intentando pasar a
través de una muchedumbre de gente que baila. La única manera que usted
puede hacer esto sería rápidamente convencer a la persona delante de usted
que le levante para arriba y entonces, como la persona siguiente ve qué está
sucediendo, la muchedumbre le deja cuerpo-arriba, como una tapa que se
transporta. Esto es similar a qué sucede cuando equipo de 2 electrones para
arriba
Fuente: Universidad de Oxford
En términos simples continua…
Utilizando la misma simil de querer pasa por un sitio
abarrotado, el primer electrón convence al átomo siguiente de
que usted merece un tratamiento especial. Una vez que el
proceso comienza, todos se acomodan al paso y usted
comienza a moverse adelante sin esfuerzo. El intercambio
persona a persona representa a los 2 electrones y su cuerpo
representa la carga eléctrica.
Existe, sin embargo, un pequeño inconveniente. Puesto que la
muchedumbre es tan activa, usted debe primero retrasar el
baile para que puedan asistirle mientras usted llega por encima.
Esto se hace enfrinado los átomos hasta temperaturas muy
bajas.
El resultado es superconductividad.
Pares de Cobre:
 Dos electrones aparecen "en equipo“ de
acuerdo con la teoría BCS, a pesar de que
ambos tienen una carga negativa y que
normalmente se rechazan. Gracias a la
temperatura superconductividad, el par de
electrones forman uno solo –estado
macroscópico del quántum – y que por lo
tanto fluye sin resistencia.
Animación del par de Cobre:
La ciencia…
 Una corriente eléctrica en un alambre crea un campo
magnético a su alrededor.
 La fuerza del campo magnético aumenta al tiempo que la
corriente en el alambre se incrementa.
 Debido a que los superconductors pueden llevar
corrientes grandes sin la pérdida de energía, ellos estan lo
suficientemente dotados para hacer potentes
electroimanes.
La ciencia….
 Pronto después de que Kamerlingh Onnes descubriera la
superconductividad, los científicos empezaron a
desarrollar usos prácticos de este nuevo fenómeno.
 Nuevos y poderos imanes que usan superconductividad
son mucho más pequeños que un imán resistente, ya que
las bobinas podrían llevar corrientes grandes sin pérdida
de energía.
La ciencia….
 Generadores con superconductores podrían generar la
misma cantidad de electricidad con un equipo más
pequeño y menos consumo. Así, una vez que la
electricidad fuera generada, podría ser distribuida a través
de los alambres de superconductividad.
 La energía se podía almacenar en las bobinas de
superconductividad por períodos de tiempo largos sin
pérdida significativa.
La ciencia…
El estado superconductivo es definido por tres factores muy
importantes: temperatura crítica (Tc), campo crítico (Hc) y
densidad de corriente crítica (Jc). Cada uno de estos
parámetros depende en las otras dos características:
• Temperatura crítica (Tc): la temperatura más alta en la cual la
superconductividad ocurre en un material. Debajo de esta
temperatura T de la transición, la resistencia del material es igual
a cero.
• El campo magnético crítico (Hc): sobre este valor de campo
magnético, externamente aplicado, un superconductor deja de ser
superconductor
• Densidad de corriente crítica (Jc) el máximo valor de la corriente
eléctrica por unidad en el área seccionada transversalmente que
un superconductor puede llevar sin resistencia.
Demostración en la sala de
clase #1
 El efecto Meissner
La levitación de un imán sobre un superconductor frio, el
efecto de Meissner, ha sido bien sabido por muchos años.
Si un superconductor se enfría debajo de su temperatura
crítica mientras que el campo magnético rodea pero no
penetra el superconductor, el imán produce corriente en el
superconductor. Esta corriente crea una fuerza magnética
que hace que los dos materiales se rechacen. Asi se puede
ver como el imán es levitado sobre el superconductor.
Demostración del efecto Meissner
Fuente: Universidad de Oslo
Materiales requeridos:
 Materiales:
– Disco de superconductividad
– Magneto de Neodímio-hierro-boro u otro magneto
potente
– Nitrógeno Liquido
– “Dewar” (recipiente que mantiene helio para experimentos y donde el
calor y la radiación son reducidos al minimo)
– Disco de laboratorio (“petri dish”, disco plano de plástico o cristal
en forma de recipiente, usualmente usado para muestras )
– Vaso de espuma flex
– Pinzas aisladas al magnetismo
– Guantes
Procedimiento
1.
2.
3.
4.
Llene cuidadosamente la taza de nitrógeno líquido.
Coloque el plato debajo de la taza y vierta cuidadosamente
suficiente nitrógeno líquido hasta que este alrededor de un cuarto
de pulgada de profundidad. El líquido hervirá rápidamente por un
tiempo corto. Espere hasta que el hervor desvanezca.
Con las pinzas, coloque cuidadosamente el disco superconductor
en el nitrógeno líquido que esta en el plato. Espere hasta que el
hervor desvanezca.
Igualmente, con las pinzas, coloque cuidadosamente un imán
pequeño cerca de 2 milímetros sobre el centro. Una vez suelto el
imán que debe levitar aproximadamente 3 milímetros sobre
superficie del disco.
Procedimiento
 El imán debe seguir suspendido hasta que se caliente por encima de
una temperatura crítica, en cuyo caso no levitará por más tiempo.
Puede colocarse en la superficie o "saltar" lejos de la superficie del
disco.
 Esta demostración también puede ser hecha si se coloca el imán
encima del disco de superconductividad antes de que se enfrie en el
nitrógeno líquido. El magneto levitará cuando la temperatura del
superconductor caiga por debajo de un nivel crítico (t).
 Adicionalmente otro fenómeno interesante puede ser observado,
mientras que el imán se suspende sobre el disco de
superconductividad y es que mientras levita el imán está lentamente
rotando en su eje. El imán al rotar actúa como un cojinete sin fricción
mientras que se suspende en el aire.
Fuente: Guía sobre superconductividad para los estudiantes de secundaria
Demostración de clase #2
 Un interruptor de superconductividad
 Cuando un superconductor está en el
estado normal, la resistencia al flujo de la
corriente es absolutamente alta comparada
al estado de superconductividad. Debido a
esto, un simple interruptor de resistencia
puede ser fácilmente simulado.
Materiales necesarios
 YBCO alambre superconductor
 2 baterías del tamaño C con sostenedor
 Bombilla de luz de 3 voltios con
sostenedor
 Nitrógeno líquido
 Vaso de espuma flex
Procedimiento
1.
2.
3.
4.
Conecte el superconductor la bombilla y las baterías.
Cuando el superconductor esta en temperatura
ambiental esta en estado normal y tendrá alta
resistencia. La bombilla no alumbrará.
Coloque el suprconductor en el nitrógeno liquido y la
bombilla alumbrara al tiempo que la resistencia
decrece.
Remueva el superconductor del nitrógeno liquido. La
bombilla empezara a opacarse paulatinamente mientras
la resistencia se incrementa.
Fuente: Guía sobre superconductividad para los estudiantes de secundaria
Diagrama
Fuente: Guía sobre superconductividad para los estudiantes de secundaria
La ciencia teórica en
realidad practica
Aplicaciones actuales de
superconductividad
 Sistemas de escudo magnético
 Sistemas médicos de obtención de
imágenes, e.g. RMI.
 Sistemas de interferencia (SQUIDS). detectan
cambios extremadamente pequeños en campos magnéticos, corrientes eléctricas, y
voltajes
 Sensores infrarojos
 Sistemas de procesamiento de señales
 Sistemas de microhondas
SQUIDS
A SQUID (“Superconducting quantum interference device” por sus siglas en
ingles) es el tipo más sensible de detector conocido por la ciencia la momento.
Consiste en un superconductor con dos uniones de Josephson; SQUIDS son
usados para medir campos magnéticos
Fuente: Superconductors.org
Visualización de flujo :
 El fenómeno donde las líneas de fuerza
de un imán (llamadas flujo o flux) llegan
a estar atrapadas dentro del material de
superconductividad. Esto permite
visualizar los lazos del superconductor al
imán a una distancia fija.
Fotografiá de la visualización del
flujo (Flux-Pinning)
Fuente: Superconductors.org
Aplicaciones emergentes





Transmisión de poder
Magneto de superconductividad en generadores
Sistemas de almacenaje de energía
Aceleradores de partículas
Vehículos de transportación por medio de
levitación
 Maquinaria rotatoria
 Separadores magnéticos
Como nos ayuda
la ciencia?
¿Qué tipo de sistemas y equipos
de poder superconductividad
pueden ayudarnos?
 Cables de transmisión subterráneos
 Limitadores de corriente (“Fault current limiters”)
 Transformadores
 Motores
 Generadores, etc.
Cable – transmite 3 a 5 veces más
energía que el alambre de cobre
Fuente: Southwire
Transformador- de sobrecapacidad de dos
tiempos sin daño de aislamiento y ambientalmente
amigable debido a la baja necesidad de aceite necesaria
para la operación.
Fuente: Waukesha Electric Systems
HTS Motor
– requiere la mitad del espacio
de los motores basados en alambre de cobre
Fuente: Rockwell
SMES
(Baterías magnéticas de
superconductividad)
Fuente: American Superconductor
Estimaciones sobre fuentes de
aplicación de superconductividad
HTS:
Motores HTS
Generadores HTS
Medida Voltage Poder
Voltage Poder
4 kv
0.75 MW 10 kv 1.7 Mw
2004
2005
13.8 Kv 170 Mw
2006
2007 4 Kv
5 Mw
2008
13.8 Kv 340 Mw
2009
2010 10 Kv 5 MW
13.8 Kv 850 Mw
Transformadores HTS
Cables de poder HTS
Voltage
Poder
Voltage Poder
Longitud
13.8 kv
1.7 Mw 12.5 kv 25 MW 100 pies
13.8 kv
10 Mw
138 kv
345 Kv
50 Mw
34.5 Kv 30 MW 0.2 millas
138kv 600 MW 0.5 millas
340 Mw
138 kv 600 Mw 2 millas
345 Kv 750 Mw 2 millas
Departamento de Energia de EEUU: Programa de Superconductividad
Impacto económico de equipos
de superconductividad
• Servicios básicos
• Transmisiones de alta densidad y alta productividad económica
• Reducción del impacto ambiental
• Industriales
Procesos industriales más efectivos:
• Manufactura y producción de energía
• Almacenamiento de electricidad, transmición y expansión
• Transportación
Transportación electrica más efectíva:
• Rieles de alta velocidad y tecnologias MAGLEV
• Autos/buses electricos
• Barcos
Proyección: curvas de penetración
de mercado
Fuente: Análisis de mercados y precios futuros de supercondutores de alta temperatura
Costo de cables de superconductividad HTS
($ por metro)
Fuente: Análisis de mercados y precios futuros de supercondutores de alta temperatura
Mercado mundial para la
superconductividad
Fuente: Connectus, 2003
Otro Premio Nobel para
investigadores de la
superconductividad
 El comité otorgó el premio al siguiente grupo de
investigadores: Vitaly Ginzburg, Alexei Abrikosov y
Anthony Leggett--por “contribuciones decisivas
concernientes a dos fenómenos físicos:
superconductividad y superfluidos"
Fuente: Scientific American
Equipos de demostración de la
superconductividad:





Edmund Scientific vende cerámicas de superconductividad para demostraciones. Contacto:
Edmund Scientific, 101 East Gloucester Pike, Barrington,New Jersey 08007; telephone (609) 5736250.
Sargent-Welch Scientific equipos de demostración de superconductividad, Meissner effect, cero
resistencia y efectos de mecánica cuántica. Contacto: Sargent-Welch Scientific Company, 7300 N
Linden Ave., Skokie Illinois 67007; telephone (800) SARGENT.
Colorado Superconductor, Inc. equipos de demostración de superconductividad, Meissner effect,
asi como medidores de temperatura y densidad. Contacto: Colorado Superconductors Inc. at P.O.
Box 8223, Fort Collins, Colorado 80526; telephone (303) 491-9106.
Futurescience, Inc. equipos de demostración de superconductividad que se pueden almacenar
facilmente, además de videos demostrativos. Contacto: Futurescience, P. O. Box 17179, Colorado
Springs, CO, 80935, 303-797-2933, 719-634-0185, Fax 719-633-3438
CeraNova Corporation produce bobinas de YBCO. Estas bobinbas son usadas para
demostraciones de superconductividad. Contacto: CeraNova at 14 Menfi Way, Hopedale, MA
01747; phone or fax (508) 473-3200
Fuentes y referencias:
 Departamento de Energía de EEUU, Programa de
Supeconductividad
 Southwire HTS Cable Development Program U.S.
Departamento de la energía , 2003 Annual
Superconductivity Peer Review 23-Julio 2003
 5/10 MVA HTS Transformer SPI Project Status
Presentado por Sam Mehta & Ed Pleva, Waukesha
Electric Systems presentado para revisión en Washington,
DC, July 23, 2003
 Universidad de Oslo, Laboratorio de superconductividad
 Fundación Nobel