Superconductividad

Si el mercurio se enfría por debajo de 4,1ºK, pierde toda su resistencia eléctrica. Este descubrimiento de la superconductividad por H. Kammerlingh Onnes en 1911 fue seguido por la observación de otros metales que exhiben resistividad cero por debajo de una cierta temperatura crítica. El hecho de que la resistencia es cero, ha sido demostrada por el sostenimiento de corrientes en anillos de plomo superconductores durante muchos años, sin una reducción medible. Una corriente inducida en un anillo de metal ordinario decaería rápidamente por la disipación en la resistencia a la corriente, pero los anillos superconductores habían mostrado una constante de decaimiento de ¡más de mil millones de años!.

Una de las propiedades de un superconductor, es que se excluyen los campos magnéticos, un fenómeno llamado el efecto Meissner.

La desaparición de la resistividad eléctrica, se modeló en términos de emparejamiento de electrones en la red cristalina por John Bardeen, Leon Cooper, y Robert Schrieffer en lo que comunmente se llama la teoría BCS.

En 1986 se inició una nueva era en el estudio de la superconductividad, con el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura crítica.

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Temperatura Crítica de Superconductores

La temperatura crítica de los superconductores es la temperatura a la cual la resistividad eléctrica del metal cae a cero. La transición es tan repentina y completa que parece que es una transición hacia una fase diferente de materia; esta fase superconductora está descrita por la teoría BCS. Varios materiales exhiben transiciones a fase de superconducción a bajas temperaturas. La temperatura crítica mas alta fue de alrededor de 23ºK hasta el descubrimiento en 1986 de algunos superconductores de alta temperatura.

Los materiales con temperaturas críticas en el rango de 120ºK, han recibido una gran atención, debido a que pueden mantenerse en estado de superconductividad con nitrógeno líquido (77ºK).

MaterialT-Crítica
Galio 1,1
Aluminio 1,2
Indio 3,4
Estaño 3,7
Mercurio 4,2
Plomo 7,2
Niobio 9,3
Niobio-Estaño 17,9
Óxido-La-Ba-Cu 30
Óxido-Y-Ba-Cu 92
Óxido-Tl-Ba-Cu125


Superconductores de Tipo ISuperconductores de Tipo II
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Conceptos de Superconductividad

Referencia:
Rohlf,Cap. 15
 
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Superconductores de Tipos I y II

Hay treinta metales puros que exhiben resistividad cero a bajas temperaturas, y tienen la propiedad de excluir los campos magnéticos del interior del superconductor (efecto Meissner). Son llamados superconductores de Tipo I . La superconductividad existe sólo por debajo de sus temperaturas críticas y por debajo de una intensidad de campo magnético crítica. Los superconductores de Tipo I, están bien descritos en la teoría BCS.

A partir de 1930, empezando con aleaciones de plomo-bismuto, se encontró un número de aleaciones que presentaban superconductividad; son llamadas superconductores de Tipo II. Se encontró que tienen campos críticos mucho más altos, y por lo tanto podrían llevar mucho más altas densidades de corriente mientras permanezcan en el estado de superconductor.

Variedades de cerámicas de óxido de bario-cobre que alcanzaron el estado superconductor a temperaturas mucho más altas, se le conoce a menudo como superconductores de alta temperatura y forman una clase aparte.

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Superconductores de Tipo I

Los treinta metales puros que figuran a la derecha se denominan superconductores de Tipo I. Las características de identificación son: cero resistividad eléctrica por debajo de una temperatura crítica, cero campo magnético interno (efecto Meissner), y un campo magnético crítico por encima del cual cesa la superconductividad.

La superconductividad en los superconductores de Tipo I está bien modelada por la teoría BCS, la cual se basa en pares de electrones acoplados por interacciones vibracionales de red. Sorprendentemente, los mejores conductores a temperatura ambiente (oro, plata y cobre) no se convierten para nada en superconductores. Tienen las más pequeñas vibraciones de red, por lo que su comportamiento se correlaciona bien con la Teoría BCS.

Aunque son instructivos para la comprensión de la superconductividad, el superconductor de Tipo I ha tenido una utilidad práctica limitada, porque los campos magnéticos críticos son tan pequeñas que el estado de superconductor desaparece repentinamente a esa temperatura. Los superconductores de Tipo I son llamados a veces superconductores "soft", mientras que los del Tipo II son "hard", manteniendo el estado de superconducción a temperaturas y campos magnéticos más altos.
Material Tc
Be 0
Rh 0
W 0,015
Ir 0,1
Lu 0,1
Hf 0,1
Ru 0,5
Os 0,7
Mo 0,92
Zr 0,546
Cd 0,56
U 0,2
Ti 0,39
Zn 0,85
Ga 1,083
Material Tc
Gd* 1,1
Al 1,2
Pa 1,4
Th 1,4
Re 1,4
Tl 2,39
In 3,408
Sn 3,722
Hg 4,153
Ta 4,47
V 5,38
La 6,00
Pb 7,193
Tc 7,77
Nb 9,46

*Gd a Tc=1,1 es cuestionable. Fuente: Rohlf, Cap. 15, pero puede ser un error tipográfico. Ga tiene una Tc alrededor de 1,1, por lo que los valores de Ga se pueden atribuir al Gd.

Obsérvese también que los tres metales de la derecha que anteriormente estaban incluidos como superconductores de Tipo I en la tabla anterior, han demostrado que exhiben propiedades de Tipo II.
Mat. Tc
V 5,38
Tc 7,77
Nb 9,46
Superconductores de Tipo I en la Tabla Periódica

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Superconductores de Tipo II

Los superconductores hecho con aleaciones se llaman superconductores de Tipo II. Además de que son mecánicamente mas duros que los superconductores de Tipo I, exhiben mayores campos magnéticos. Los superconductores de Tipo II tales como el niobio-titanio (NbTi) se usan en la construcción de imanes superconductores para grandes campos.

Los superconductores de Tipo II, existen normalmente en un estado mixto de regiones normales y superconductoras. Este se llama a veces estado vórtice, porque vórtices de corrientes superconductoras, rodean filamentos o núcleos de material normal.

Material
Temperatura
Crítica (K)
Campo
Crítica(T)
NbTi
10
15
PbMoS
14,4
6.0
V3Ga
14,8
2,1
NbN
15,7
1,5
V3Si
16,9
2,35
Nb3Sn
18,0
24,5
Nb3Al
18,7
32,4
Nb3(AlGe)
20,7
44
Nb3Ge
23,2
38

Nuevo Superconductor: Diboruro de Magnesio
Superconductor Compuesto de Plutonio
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