Fuente: Universidad de Oslo, Laboratorio de superconductividad

1. Superconductividad para los profesores y los estudiantes secundarios Desarrollado por:CEFA, Centro de Análisis y Proyecciones EconómicasUniversidad Estatal de la FloridaDr. Tim LynchAuspiciado por : HTS State Outreach Centro: DE-PS36-03GO93001-11

2. 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

3. 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.

4. 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 77.0 25.0 298.2 Congelamiento del agua 32.0 0.0 273.2 Congelamiento del mercurio -37.8 -38.8 234.4 Hielo seco -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

5. Equivalencia de temperaturas

6. Fórmulas para transformar temperaturas: • Grados Fahrenheit = (9/5 * Celsius) + 32 • Grados Celsius = 5/9(Grados Fahrenheit - 32) • Grados Kelvin = Degrees Celsius + 273

7. Descubridor de la Superconductividad • La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés, Heike Kammerlingh Onnes. Fuente: Fundación Nobel

8. 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.

9. 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

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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

17. 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.

18. 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.

19. Animacióndel par de Cobre:

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Demostración del efecto Meissner Fuente: Universidad de Oslo

26. 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

27. Procedimiento • 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.

28. 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

29. 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.

30. 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

31. Procedimiento • 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

32. Diagrama Fuente: Guía sobre superconductividad para los estudiantes de secundaria

33. La ciencia teórica en realidad practica

34. 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

35. 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

36. 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.

37. Fotografiá de la visualización del flujo (Flux-Pinning) Fuente: Superconductors.org

38. 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

39. Como nos ayuda la ciencia?

40. ¿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.

41. Cable – transmite 3 a 5 veces más energía que el alambre de cobre Fuente: Southwire

42. 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

43. HTS Motor – requiere la mitad del espacio de los motores basados en alambre de cobre Fuente: Rockwell

44. SMES (Baterías magnéticas de superconductividad) Fuente: American Superconductor

45. Estimaciones sobre fuentes de aplicación de superconductividad HTS: Departamento de Energia de EEUU: Programa de Superconductividad

46. 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

47. Proyección: curvas de penetración de mercado Fuente: Análisis de mercados y precios futuros de supercondutores de alta temperatura

48. Costo de cables de superconductividad HTS($ por metro) Fuente: Análisis de mercados y precios futuros de supercondutores de alta temperatura

49. Mercado mundial para la superconductividad Fuente: Connectus, 2003

50. 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