Esta entrada viene motivada por un vídeo que he visto en Gaussianos en el que se mostraba una banda de Moëbius hecha con 2000 imanes sobre (o bajo) la que hacían levitar un trozo de material superconductor (YBCO).
Pues bien, la cosa es que este vídeo me ha motivado para escribir una pequeña entrada sobre los materiales superconductores.
Un superconductor es un material que a temperatura ambiente tiene propiedades eléctricas y magnéticas usuales pero al ser enfriado hasta temperaturas muy bajas muestra propiedades eléctricas y magnéticas sorprendentes.
La más importante y aquella que le da nombre es la capacidad de conducir la electricidad sin disipación debida a la resistencia (efecto Joule).
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Figura 1: Distintos comportamientos de un material al aplicarle
un campo magnético. En la situación de la izquierda el material
se encuentra por encima de la transición de fase superconductora
y las líneas de campo magnético atraviesan el material con
normalidad. A la derecha podemos ver como al enfriar en material
por debajo de la temperatura de transición las líneas de campo
son "expulsadas" fuera del superconductor. Esto es el efecto
Meissner.
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Otra de las características que permiten decir que un material se encuentra en un estado superconductor es su peculiar comportamiento al aplicarle un campo magnético.
Cuando a un material le aplicamos un campo magnético las líneas de campo atraviesan el material (Figura 1 izquierda) de forma que tendremos flujo de campo magnético tanto dentro del material como fuera.
Cuando a un material le aplicamos un campo magnético las líneas de campo atraviesan el material (Figura 1 izquierda) de forma que tendremos flujo de campo magnético tanto dentro del material como fuera.
En un superconductor la situación es un poco distinta... cuando enfriamos un material superconductor por debajo de la temperatura de transición (o temperatura crítica) este expulsa las líneas de campo magnético de su interior de forma que si medimos el flujo del campo magnético dentro del material encontraremos que este es muy próximo a cero (Figura 1 derecha). Si el campo magnético aplicado es muy intenso finalmente las líneas de campo penetran en el superconductor y la fase superconductora se pierde.
La figura 2 muestra el diagrama de fases de un superconductor de estas características, estos son los llamados superconductores de tipo I.
La figura 2 muestra el diagrama de fases de un superconductor de estas características, estos son los llamados superconductores de tipo I.
En general, este tipo de superconductores tienen temperaturas críticas muy bajas (del orden de unos pocos grados Kelvin).
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Figura 2: Diagrama de fases de un superconductor de tipo I.
Podemos ver que la región en la que el material se comporta
como superconductor se restringe a bajas temperaturas y
campos magnéticos poco intensos.
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Si esta fuese toda la historia de la superconductividad y los materiales superconductores el interés en ellos sería poco más que teórico.
Existen otros materiales superconductores, los llamados superconductores de tipo II (que originalidad verdad?). Este tipo de superconductores tienen en común con los primeros el efecto Meissner, es decir, para campos magnéticos aplicados de poca intensidad las líneas de campo no penetran en el seno del material.
Sin embargo, al aumentar la intensidad del campo magnético aplicado las líneas de campo empiezan a atravesar al conductor de una forma poco usual, lo hacen en forma de vórtices.
En este contexto un vórtice es una región del conductor (una línea concretamente) donde el campo magnético es capaz de atravesar el superconductor, de manera que a lo largo de esa línea el material deja de ser superconductor.
Alrededor de esta región se forma una corriente eléctrica tal y como se muestra en la figura 3.
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Figura 3: Vórtices en un superconductor de tipo II. Figura
de Adwaele obtenida de Wikipedia
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Una característica interesante de esta familia de materiales superconductores (los de tipo II) es que el flujo de campo magnético está cuantizado (esto quiere decir que no puede tomar cualquier valor si no sólo un múltiplo entero de un valor elemental) en el interior del material de la misma forma en la que el momento angular está cuantizado en un superfluido en rotación. Este hecho muestra que hay una clara conexión entre ambos fenómenos: la superconductividad y la superfluidez.
Cuando en un superconductor tenemos varios de estos vórtices, estos interaccionan entre si mediante una interacción repulsiva. En el año 1957 Abrikosov demostró que estos vórtices se sitúan en el seno del material formando una red cristalina triangular
(Figura 4), lo que le valió el premio Nobel de física en el año 2003.
Cuando en un superconductor tenemos varios de estos vórtices, estos interaccionan entre si mediante una interacción repulsiva. En el año 1957 Abrikosov demostró que estos vórtices se sitúan en el seno del material formando una red cristalina triangular
(Figura 4), lo que le valió el premio Nobel de física en el año 2003.
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Figura 4: Red de Abrikosov en un superconductor de
tipo II. H. F. Hess et al. Bell Labs Phys. Rev. Lett. 62 214 (1989).
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De esta forma en un superconductor de tipo II podemos distinguir (de forma simplificada) tres fases distintas. A bajas temperaturas y campos aplicados pequeños el material muestra efecto Meissner y expulsa de su interior las líneas de campo magnético (estado superconductor). Si aumentamos la intensidad del campo magnético externo se forman vórtices en el interior del material que se disponen en una red cristalina triangular (estado mixto). Si hacemos el campo magnético aún más intenso finalmente se pierde el estado superconductor y el material muestra propiedades normales. En la figura 5 se puede ver el diagrama de fases de un superconductor de tipo II.
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Figura 5: Diagrama de fases de un superconductor de tipo II.
Podemos ver que la región en la que el material se divide en
dos partes claras, para campos aplicados pequeños el material
muestra efecto Meissner. Si aumentamos la intensidad del
campo externo la formación de vórtices hace que el material
pase al estado mixto. Para campos grandes o altas temperaturas
el material se comporta normalmente.
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Una de las características más importantes de cara a la posible aplicación práctica de los superconductores de tipo II es que su temperatura crítica puede ser bastante más alta que para los de tipo I.
En estos casos la temperatura crítica puede llegar a ser del orden de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (unos 77 K o -196ºC).
De este modo se puede usar nitrógeno como refrigerante tal como se puede ver en el vídeo que he puesto al principio del post.
Esta entrada no ha pretendido ser una descripción exhaustiva de la fenomenología de la superconductividad, existen otras clasificaciones posibles para los distintos tipos de superconductores.
Finalmente, y volviendo al tema que ha motivado este post, la levitación magnética es una combinación de varios efectos... por un lado el efecto Meissner contribuye a que el superconductor y el imán que causa el campo externo se repelan.
Esta entrada no ha pretendido ser una descripción exhaustiva de la fenomenología de la superconductividad, existen otras clasificaciones posibles para los distintos tipos de superconductores.
Finalmente, y volviendo al tema que ha motivado este post, la levitación magnética es una combinación de varios efectos... por un lado el efecto Meissner contribuye a que el superconductor y el imán que causa el campo externo se repelan.
Por otro lado, en el estado mixto de un superconductor de tipo II se da el fenómeno del anclaje de los vórtices donde estos se anclan a los defectos microscópicos del material (esto nos da la parte atractiva de la interacción imán - superconductor).
Es una explicación bastante simplificada pero no puedo dar ninguna mejor sin entrar en mucho detalle.
Espero haber conseguido transmitir claramente las ideas más básicas sobre este fascinante tipo de materiales...
Espero haber conseguido transmitir claramente las ideas más básicas sobre este fascinante tipo de materiales...
amaciarey.blogspot
