12.7: Superconductividad

Existe cierto debate sobre exactamente cómo y por qué los materiales superconductores se superconducen. Una teoría sostiene que los electrones se agrupan y viajan en pares (llamados pares Cooper) dentro de un superconductor en lugar de viajar independientemente, y eso tiene algo que ver con su flujo sin fricción. Curiosamente, otro fenómeno de temperaturas súper frías, la superfluidez, ocurre con ciertos líquidos (especialmente el helio líquido), dando como resultado un flujo de moléculas sin fricción.

La superconductividad promete capacidades extraordinarias para los circuitos eléctricos. Si la resistencia del conductor pudiera eliminarse por completo, no habría pérdidas de energía ni ineficiencias en los sistemas de energía eléctrica debido a las resistencias parásitas. Los motores eléctricos podrían hacerse casi perfectamente (100%) eficientes. Componentes como capacitores e inductores, cuyas características ideales normalmente se ven estropeadas por resistencias de cable inherentes, podrían hacerse ideales en un sentido práctico. Ya se han desarrollado algunos conductores superconductores, motores y capacitores prácticos, pero su uso en este momento es limitado debido a los problemas prácticos intrínsecos al mantenimiento de temperaturas súper frías.

La temperatura umbral para que un superconductor cambie de conducción normal a superconductividad se llama temperatura de transición. Las temperaturas de transición para los superconductores “clásicos” están en el rango criogénico (cerca del cero absoluto), pero se ha avanzado mucho en el desarrollo de superconductores de “alta temperatura” que superconducen a temperaturas más cálidas. Un tipo es una mezcla cerámica de itrio, bario, cobre y oxígeno que transita a una temperatura relativamente suave de -160 ^o Celsius. Idealmente, un superconductor debería poder operar dentro del rango de temperaturas ambiente, o al menos dentro del rango de equipos de refrigeración económicos.

Las temperaturas críticas para algunas sustancias comunes se muestran aquí en esta tabla. Las temperaturas se dan en kelvin, que tiene el mismo lapso incremental que los grados Celsius (un aumento o disminución de 1 kelvin es la misma cantidad de cambio de temperatura que 1 ^o Celsius), solo compensado para que 0 K sea cero absoluto. De esta manera, no tenemos que lidiar con muchas cifras negativas.

Los materiales superconductores también interactúan de maneras interesantes con los campos magnéticos. Mientras que en el estado superconductor, un material superconductor tenderá a excluir todos los campos magnéticos, fenómeno conocido como el efecto Meissner. Sin embargo, si la intensidad del campo magnético se intensifica más allá de un nivel crítico, el material superconductor se volverá no superconductor. En otras palabras, los materiales superconductores perderán su superconductividad (no importa qué tan fríos los hagas) si se exponen a un campo magnético demasiado fuerte. De hecho, la presencia de cualquier campo magnético tiende a bajar la temperatura crítica de cualquier material superconductor: cuanto más campo magnético presente, más frío se tiene que hacer el material antes de que se superconduzca.

Esta es otra limitación práctica a los superconductores en el diseño de circuitos, ya que la corriente eléctrica a través de cualquier conductor produce un campo magnético. A pesar de que un cable superconductor tendría resistencia cero para oponerse a la corriente, todavía habrá un límite de cuánta corriente podría pasar prácticamente por ese cable debido a su límite crítico de campo magnético.

Ya hay algunas aplicaciones industriales de los superconductores, especialmente desde la reciente llegada (1987) de la cerámica de ittrio-bario-cobre-oxígeno, que solo requiere nitrógeno líquido para enfriarse, a diferencia del helio líquido. Incluso es posible pedir kits de superconductividad a proveedores educativos que pueden ser operados en laboratorios de secundaria (nitrógeno líquido no incluido). Típicamente, estos kits exhiben superconductividad por el efecto Meissner, suspendiendo un pequeño imán en el aire sobre un disco superconductor enfriado por un baño de nitrógeno líquido.

La resistencia cero que ofrecen los circuitos superconductores conlleva consecuencias únicas. En un cortocircuito superconductor, ¡es posible mantener grandes corrientes indefinidamente con cero voltaje aplicado!

Se ha demostrado experimentalmente que los anillos de material superconductor mantienen corriente continua durante años sin voltaje aplicado. Hasta donde cualquiera sabe, no hay límite de tiempo teórico sobre cuánto tiempo podría mantenerse una corriente sin ayuda en un circuito superconductor. Si estás pensando que esto parece ser una forma de movimiento perpetuo, ¡tienes razón! Contrario a la creencia popular, no existe una ley de la física que prohíba el movimiento perpetuo; más bien, la prohibición se opone a que cualquier máquina o sistema genere más energía de la que consume (lo que se denominaría un dispositivo de sobreunidad). En el mejor de los casos, todo lo que sería bueno para una máquina de movimiento perpetuo (como el anillo superconductor) es para almacenar energía, ¡no generarla libremente!

Los superconductores también ofrecen algunas posibilidades extrañas que no tienen nada que ver con la Ley de Ohm. Una de esas posibilidades es la construcción de un dispositivo llamado Josephson Junction, que actúa como una especie de relé, controlando una corriente con otra corriente (sin partes móviles, por supuesto). El pequeño tamaño y el rápido tiempo de conmutación de Josephson Junctions pueden conducir a nuevos diseños de circuitos informáticos: una alternativa al uso de transistores semiconductores.

Revisar

• Los superconductores son materiales que tienen absolutamente cero resistencia eléctrica.
• Todos los materiales superconductores actualmente conocidos necesitan enfriarse muy por debajo de la temperatura ambiente para superconducir. La temperatura máxima a la que lo hacen se denomina temperatura de transición.