Superconductividad: de la cuántica a la realidad

¿Cuántos electrones hay en un sólido? Un montón. Se calcula que un 20% de la energía eléctrica se pierde, así que perdemos un 20% de estos electrones y los perdemos por el efecto Joule. ¿Cuánto es el 20% de un montón? Pues un montón. La conclusión es que día tras día nuestros cables, instalaciones y generadores pierden energía que cuesta mucho conseguir. Sabemos que la energía ni se crea ni se destruye, como rehenes de la Tierra que somos es nuestro deber aprovecharla para consumir el mínimo de recursos.

Aunque la palabra superconductor suene a inaccesible, imposible o caro, la realidad es que ya se han obtenido numerosas aplicaciones para ellos a pesar de sus limitaciones. Usamos materiales superconductores para generar grandes campos magnéticos, por ejemplo, en equipos de resonancia magnética médicos, imanes o – por supuesto – en instalaciones científicas como el CERN. También se usan por sus grandes cualidades como conductores: si en un futuro pudiésemos tener generadores y conductores de corriente sin pérdidas, dicha eficiencia disminuiría drásticamente el consumo, así que los superconductores son muy interesantes pensando en la eficiencia energética en la que todos estamos muy interesados.

El tren Maglev: rapídisimo y sin pérdidas de electricidad. Algún día será factible.

El tren Maglev: rapídisimo y sin pérdidas de electricidad. Algún día será factible.

En 1911 se encuentran los primeros materiales superconductores, metales puros tales como el Plomo o el Mercurio. Se descubren por accidente en investigaciones sobre el comportamiento de la materia a temperaturas muy bajas. Estos metales se comportan de forma predecible hasta que se llega a temperaturas inferiores a 3K (-270ºC), a las que el material ofrece una resistencia nula a la conductividad eléctrica. A temperaturas tan bajas – estamos muy cerca del cero absoluto, al que por cierto aún no hemos llegado nunca – es casi impensable cualquier aplicación práctica. El tiempo ha llevado al descubrimiento de cerámicas que se comportan como superconductores a altas temperaturas, éstas adquieren el comportamiento superconductor a una temperatura crítica de hasta -77ºC, la del Nitrógeno líquido.

Superconductor de alta temperatura en Nitrógeno líquido. Foto de: Neofronteras

Superconductor de alta temperatura en Nitrógeno líquido.
Foto de: Neofronteras

¿Cómo se explica éste fenómeno? Sabemos que cuando transmitimos corriente por un metal este se calienta debido al Efecto Joule. Esto ocurre porque la corriente de electrones choca con los átomos liberando energía. Así pues la nula pérdida de energía en los materiales superconductores se debe a una nula resistencia. Para entender esto debemos pensar que los materiales no tienen estructuras inmóviles, sino que vibran alrededor de una posición de equilibrio elásticamente: podemos imaginar los átomos atados entre ellos por muelles, vibrando, generando una onda elástica que se propaga por el material. La física cuántica asegura que esta energía vibracional no puede tener valores energéticos aleatorios sino que está cuantizada en fonones. El motivo por el cual necesitamos una temperatura tan baja es que las vibraciones de la red destruyen los fonones y estas dependen de la temperatura. 

Representación armónica de un sólido. Foto de: Kitel.

Representación armónica de un sólido.
Foto de: Kitel.

La ciencia piensa en la corriente eléctrica como electrones moviéndose entre los intersticios de la red, considerando que los iones de esta red son positivos decimos se verán atraídos por los electrones que fluyen. Este acercamiento generará una gran densidad de carga positiva que atraerá otro electrón. Ambos electrones pasarán pues unidos por el intersticio entre los iones conformando lo que se llaman Pares de Cooper, que explican la inexistencia de resistencia en el material.

Pardecooper

¿Podemos esperar encontrar un superconductor que funcione a temperatura ambiente? La verdad es que de momento parece demasiado optimista aunque si se encuentra otra manera de explicar o conseguir la superconductividad muy probablemente podríamos romper la barrera de la temperatura y, así, terminar con toda limitación del fenómeno. La ciencia limita la superconducción.

La falta de resistencia a bajas temperaturas no es suficiente para describir un superconductor. Un superconductor sólo lo es si además sufre el Efecto Meissner: la adopción de un comportamiento de diamagnético – expulsor de cualquier campo magnético incidente – bajo las condiciones mencionadas anteriormente.  El fenómeno se explica mediante la aplicación de la Ley de Lenz a escala microscópica.

La Ley de Lenz dice que ante un flujo magnético la materia responde generando una corriente magnética inducida. Faraday añadió que esta corriente se generará en un sentido tal que la fuerza asociada se oponga a la aplicada. Así pues cuando aplicamos un campo magnético externo los electrones de la materia responden generando un campo opuesto a éste.

Esta explicación puede parecer un poco ambigua así que a continuación voy a sintetizar el razonamiento que trajo a dicha conclusión mediantes ecuaciones que explican el comportamiento electromagnético de los materiales a gran escala:

Mediante la Ley de Ohm  deducimos que cuando la Resistencia (R) tiende a cero el potencial eléctrico (V) también lo hace:

leydeohm

ohm1

La Ley de Faraday-Lenz estipula:

leydelenz

Si como hemos dicho V tiende a cero, entonces el flujo de campo magnético también lo hace. En conclusión, el flujo magnético es constante:

lenz2

Más adelante se postuló que las corrientes magnéticas, así como los campos, existen en los superconductores solamente a la superficie. Esto obliga que en el interior de estos el flujo magnético sea nulo, una restricción mucho mayor que la primera que se dejó para los “simples” conductores perfectos.

A parte de la temperatura hay otra limitación para la aplicación de los superconductores en la vida real ya que el campo magnético generado a partir del Efecto Meissner no siempre es relevante. Esto se explica por los dos tipos de superconductor que hay:

  • Superconductores Tipo I: Estos superconductores repulsan todo el campo magnético aplicado pero el campo que generan es muy pequeño así que no se encuentran muchas aplicaciones desde el punto de vista diamagnético.
  • Superconductores Tipo II: El campo magnético generado por estos no es debido a una repulsión sino a evitar la variación del campo magnético en el interior del superconductor de modo que llega a valores mayores con los que sí que se puede trabajar. Esto ocurre porque presenta un estado intermedio entre la superconductividad y la no superconductividad, llamado vórtex.

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Los superconductores son impresionantes, ¿verdad?, en mi opinión también son muy divertidos.

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Jana Oliveras

Persigo el mundo que hay detrás del microscopio y creo en la verdad de las cosas pequeñas. Estudio Ingeniería de Materiales.

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