Superconductividad para los profesores y los estudiantes secundarios Desarrollado por: CEFA, Centro

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Superconductividad para los profesores y los
estudiantes secundarios Desarrollado porCEFA,
Centro de Análisis y Proyecciones Económicas
Universidad Estatal de la FloridaDr. Tim
LynchAuspiciado por HTS State Outreach
Centro DE-PS36-03GO93001-11
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• 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
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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.

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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

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Descubridor de la Superconductividad

• La superconductividad fue descubierta en 1911 por
  el físico holandés, Heike Kammerlingh Onnes.

Fuente Fundación Nobel
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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.

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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
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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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
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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.

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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.

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Animación del par de Cobre
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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.

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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.

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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.

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Demostración del efecto Meissner
Fuente Universidad de Oslo
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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

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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
51
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)
  573-6250.
• 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 [phone].
• 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 [phone]
• 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

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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