Un superconductor es un material que alcanza la superconductividad, un Estado de la materia No tiene resistencia eléctrica y no permite la penetración de campos magnéticos. ese corriente eléctrica En un superconductor puede continuar indefinidamente.
La superconductividad solo se puede lograr a temperaturas extremadamente frías. Los superconductores tienen una variedad de aplicaciones diarias, desde Máquinas de resonancia magnética a trenes magnéticos de alta velocidad que utilizan imanes para sacar los trenes de la vía y reducir la fricción. Los investigadores ahora están tratando de encontrar y desarrollar superconductores que operen a temperaturas más altas, lo que revolucionará la transmisión y el almacenamiento de energía.
¿Quién descubrió la superconductividad?
El descubrimiento de la superconductividad se atribuye a El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. En 1911, Onnes estaba estudiando las propiedades eléctricas de Mercurio En su laboratorio de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, descubrió que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía por completo cuando se dejaba caer. la temperatura a menos de 4,2 K, solo 4,2 grados Celsius (7,56 grados Fahrenheit) por encima del cero absoluto.
Para confirmar este resultado, Onnes aplicó una corriente eléctrica a una muestra de mercurio sobreenfriado y luego desconectó la batería. Encontró que la corriente eléctrica en el mercurio continuaba sin disminuir, lo que confirma la ausencia de resistencia eléctrica y abre la puerta a futuras aplicaciones de superconductividad.
La historia de la superconductividad
Los físicos han pasado décadas tratando de comprender la naturaleza de la superconductividad y sus causas. Descubrieron que muchos elementos y materiales, pero no todos, se vuelven superconductores cuando se enfrían por debajo de una determinada temperatura crítica.
En 1933, los físicos Walther Meissner y Robert Ochenfeld descubrieron que los superconductores «eliminan» cualquier campo magnético cercano, lo que significa que los campos magnéticos débiles no pueden penetrar mucho en el superconductor, según Superfísica, un sitio web educativo del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Georgia. Este fenómeno se llama efecto Meissner.
No fue hasta 1950 que los físicos teóricos Lev Landau y Vitaly Ginzburg publicaron una teoría sobre cómo funcionan los superconductores, según la biografía de Ginzburg en Sitio web del Premio Nobel. Aunque tuvieron éxito en la predicción de las propiedades de los superconductores, su teoría era «macroscópica», lo que significa que se centró en los comportamientos a gran escala de los superconductores sin dejar de ser consciente de lo que estaba sucediendo a nivel microscópico.
Finalmente, en 1957, los físicos John Bardeen, Leon N. Cooper y Robert Shriver desarrollaron una teoría microscópica completa de la superconductividad. Para crear una resistencia eléctrica, el Electrones En el metal debería ser libre para saltar. Pero cuando los electrones dentro del metal se enfrían increíblemente, pueden emparejarse, evitando que reboten. Estos pares de electrones, llamados pares de Cooper, son muy estables a bajas temperaturas, y sin electrones «libres» para rebotar, la resistencia eléctrica desaparece. Bardeen, Cooper y Shriver juntaron estas piezas para formar su teoría, conocida como la teoría BCS, que publicaron en la revista. mensajes de revisión física.
¿Cómo funcionan los superconductores?
Cuando el metal cae por debajo de la temperatura crítica, los electrones en el metal forman enlaces llamados pares de Cooper. Cuando se cierra de esta manera, los electrones no pueden proporcionar ninguna resistencia eléctrica y la electricidad puede fluir a través del metal por completo, según Universidad de Cambridge.
Sin embargo, esto solo funciona a temperaturas más bajas. Cuando el metal se calienta demasiado, los electrones tienen suficiente energía para romper los enlaces del par de Cooper y volver a proporcionar resistencia. Es por eso que Onnes, en sus experimentos originales, encontró que el mercurio se comportaba como un superconductor a 4,19 K, pero no a 4,2 K.
¿Para qué se utilizan los superconductores?
Es muy probable que te hayas encontrado con un superconductor sin siquiera darte cuenta. Para generar los fuertes campos magnéticos utilizados en la resonancia magnética (MRI) y la resonancia magnética nuclear (NMRI), las máquinas utilizan potentes electroimanes, como se muestra en Mayo Clinic. Estos poderosos electroimanes derretirán metales ordinarios debido al calor de incluso una pequeña resistencia. Sin embargo, dado que los superconductores no tienen resistencia eléctrica, no se genera calor y los electroimanes pueden generar los campos magnéticos necesarios.
Electroimanes superconductores similares se utilizan en trenes ferromagnéticos, reactores de fusión nuclear experimentales y laboratorios de aceleradores de partículas de alta energía, y los superconductores se utilizan para alimentar pistolas y pistolas electromagnéticas, estaciones base de teléfonos móviles, circuitos digitales rápidos y detectores de partículas.
Básicamente, cada vez que necesite un campo magnético o corriente eléctrica realmente fuerte y no quiera que sus dispositivos se derritan en el momento en que se encienden, necesita un superconductor.
«Una de las aplicaciones más interesantes de los superconductores es para las computadoras cuánticas», dijo Alexei Bezradin, físico de materia condensada de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Debido a las propiedades únicas de las corrientes eléctricas en los superconductores, pueden usarse para construir computadoras cuánticas.
«Estas computadoras están formadas por bits cuánticos o qubits. Los qubits, a diferencia de las unidades tradicionales de información, pueden existir en estados de superposición cuántica de ser ‘0’ y ‘1’ al mismo tiempo. Los dispositivos superconductores pueden simular esto», dijo Bezardin a Live. Ciencia ”. Por ejemplo, la corriente en un circuito superconductor puede fluir en sentido horario y antihorario al mismo tiempo. Tal caso es un ejemplo de un qubit superconductor «.
¿Cuál es la última investigación sobre superconductores?
Mehmet Dogan, investigador postdoctoral de la Universidad de California, Berkeley, dijo que el desafío número uno para los investigadores de hoy es «desarrollar materiales que sean superconductores en condiciones ambientales, porque actualmente la superconductividad solo existe a temperaturas muy bajas o presiones muy altas». El próximo desafío es desarrollar una teoría que explique cómo funcionan los nuevos superconductores y predice las propiedades de esos materiales, dijo Duggan a WordsSideKick.com en un correo electrónico.
Los superconductores se dividen en dos categorías principales: superconductores de baja temperatura (LTS), también conocidos como superconductores convencionales, y superconductores de alta temperatura (HTS) o superconductores no convencionales. LTS puede describirse mediante la teoría BCS para explicar cómo los electrones forman pares de Cooper, mientras que HTS utiliza otros métodos microscópicos para lograr una resistencia cero. Los orígenes de HTS son uno de los principales problemas sin resolver de la física moderna.
La mayor parte de la investigación histórica sobre superconductividad se ha dirigido a LTS, porque el descubrimiento y estudio de esos superconductores es mucho más fácil y casi todas las aplicaciones de la superconductividad involucran LTS.
Por el contrario, HTS es un campo de investigación activo y apasionante en la era moderna. Cualquier cosa que actúe como superconductor por encima de 70 K generalmente se considera HTS. Aunque todavía está muy frío, esta temperatura es deseable porque se puede alcanzar enfriando con nitrógeno líquido, que es más común y fácilmente disponible que el helio líquido necesario para enfriar a las temperaturas más bajas requeridas para LTS.
El futuro de los superconductores
El «santo grial» de la investigación de superconductores es encontrar un material que pueda actuar como superconductor a temperatura ambiente. Hasta ahora, el Temperatura superconductora más alta Se alcanzó el hidruro de azufre de carbono altamente presurizado, que alcanzó la superconductividad a 59 F (15 C, o aproximadamente 288 K), pero requirió 267 gigapascales de presión para hacerlo. Esta presión es equivalente a la presión interna de planetas gigantes como Júpiter, lo que la hace poco práctica para las aplicaciones cotidianas.
Los superconductores a temperatura ambiente permiten la transmisión eléctrica de energía sin pérdidas ni desperdicio, trenes magnéticos más eficientes y un uso más barato y generalizado de la tecnología de resonancia magnética. Las aplicaciones prácticas de los superconductores a temperatura ambiente son ilimitadas: los físicos solo necesitan saber cómo funcionan los superconductores a temperatura ambiente y qué material «Ricitos de oro» permite la superconductividad.
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