Title: Superconductividad para los profesores y los estudiantes secundarios Desarrollado por: CEFA, Centro
1Superconductividad 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
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
3Definición
- 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.
4Equivalencia de temperaturas
5Equivalencia de temperaturas
6Fórmulas para transformar temperaturas
- Grados Fahrenheit (9/5 Celsius) 32
- Grados Celsius 5/9(Grados Fahrenheit - 32)
- Grados Kelvin Degrees Celsius 273
7Descubridor de la Superconductividad
- La superconductividad fue descubierta en 1911 por
el físico holandés, Heike Kammerlingh Onnes.
Fuente Fundación Nobel
8El 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.
9A 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
10Superconductividad 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.
11La 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.
12La 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.
13La 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.
14La 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.
15La 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.
16En 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
17En 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.
18Pares 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.
19Animación del par de Cobre
20La 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.
21La 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.
22La 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.
23La 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.
24Demostración 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.
25Demostración del efecto Meissner
Fuente Universidad de Oslo
26Materiales 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
27Procedimiento
- 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.
28Procedimiento
- 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
29Demostración 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.
30Materiales 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
31Procedimiento
- 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
32Diagrama
Fuente Guía sobre superconductividad para los
estudiantes de secundaria
33La ciencia teórica en realidad practica
34Aplicaciones 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
35SQUIDS
- 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
36Visualización 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.
37Fotografiá de la visualización del flujo
(Flux-Pinning)
Fuente Superconductors.org
38Aplicaciones 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
39Como nos ayuda la ciencia?
40Qué tipo de sistemas y equipos de poder
superconductividad pueden ayudarnos?
- Cables de transmisión subterráneos
- Limitadores de corriente (Fault current
limiters) - Transformadores
- Motores
- Generadores, etc.
41Cable transmite 3 a 5 veces más energía que el
alambre de cobre
Fuente Southwire
42Transformador- 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
43HTS Motor requiere la mitad del espacio de los
motores basados en alambre de cobre
Fuente Rockwell
44SMES (Baterías magnéticas de superconductividad)
Fuente American Superconductor
45Estimaciones sobre fuentes de aplicación de
superconductividad HTS
Departamento de Energia de EEUU Programa de
Superconductividad
46Impacto 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
47Proyección curvas de penetración de mercado
Fuente Análisis de mercados y precios futuros de
supercondutores de alta temperatura
48Costo de cables de superconductividad HTS ( por
metro)
Fuente Análisis de mercados y precios futuros de
supercondutores de alta temperatura
49Mercado mundial para la superconductividad
Fuente Connectus, 2003
50Otro 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
51Equipos 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 (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
52Fuentes 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