Superconductividad en breve

Acercándonos al LHC

El fenómeno da superconductividad fue primero observada en 1912 no laboratorio de  Heike Kamerlingh Onnes, en la Universidad de Leiden (Holanda). A baja temperatura ciertos materiales (alrededor de 800 sustancias superconductoras han sido descubiertas hasta hoy) pierden súbitamente la resistencia al flujo de corriente eléctrica. Este fenómeno permaneció como una curiosidad de laboratorio hasta que en 1954 G. B. Yntema en la Universidad de Illinois, construyó el primer imán superconductor.

El lento progreso puede en parte ser atribuido a la dificultad de obtener las extremadamente bajas temperaturas requeridas, y el desconocimiento de como crear hilos superconductoreseléctrica y termalmente estables. Pero la primera limitación fue no solo debida a esas bajas temperaturas, sino también al restringido rango en la densidad de corriente y el campo magnético, que era especialmente limitado en los primeros superconductores.  

La siguiente figura muestra la dependencia entre el campo magnético y la temperatura, siendo Hc y Tc característicos de cada material:

Loss superconductores, como el Pb, Al y Hg son clasificados como Tipo I, y en ellos el   flujomagnético es expulsado de su interior (efecto Meissner), estando la densidad crítica de corriente limitada a una capa superficial  de aproximadamente una décima de micra.

El máximo campo en el que esos superconductores pueden operar es habitualmente menor que 0.1 T (similar al flujo entre polos de un imán permanente de herradura). Estas limitación fan que os superconductores Tipo I no sirvan para aplicaciones en hilos o cables.  

Todos los  superconductores con posibilidades prácticas son de Tipo II. En este caso, se Hc1<H<Hc12 el flujo magnético penetra en el interior para formar cuantos de flujo individual llamados fluxoides. Una supercorriente cilíndrica en torbellino rodea cada fluxoide. Con el aumento de la fuerza del campo magnético, mas y mas fluxoides entran en el superconductor y constituyen una formación periódica. Entonces, en la zona entre Hc1 y Hc2 el superconductor puede conducir corriente eléctrica dentro del grueso del material y de esta forma esta región del campo magnético puede ser usada para superconductores de alto campo y alta corriente.

Este tipo de superconductores están habitualmente hechos de aleaciones metálicas o  de óxidos cerámicos complejos. Niobio, Vanadio, Tecnecio, Diamante o Silicio son elementos de esta clase. Aleaciones que exhiben ese comportamiento son por ejemplo las de niobio-titanio, y niobio-estaño. En la práctica, la dúctil aleación Nb-Ti (47wt%) y el compuesto intermetálicoNb3Sn son los únicos materiales utlizados hoy en día para imanes superconductores. 

Los  1700 grandes imanes y los 8000 imanes correctores del LHC están hechos de Nb-Ti.

Otros ejemplos de superconductores Tipo-II son los materias cerámicos cuprato-perovskita que son los que han presentado más alta temperatura de trabajo. Se incluyen en ellos los compuestos de LaBaCuO e YBaCuO, el cual es famoso como primer material  superconductor a la temperatura de ebullición do nitrógeno líquido. En todo caso su naturaleza cerámica los hace frágiles, no siendo entonces adecuados para ser convertidos en hilos o cables.

El Diboruro de Magnesio, descubierto en 2001, y la familia de los ferro-oxypnictides, descubiertos en 2008, son los más prometedores para futuras aplicaciones.

 

Como ya ha sido indicado, los máximos valores de temperatura, densidad crítica de corriente y campo magnético son interdependientes y cuando son representados en una gráfica en tres ejes forma la llamada "superficie crítica".

La imagen muestra la superficie crítica para unsuperconductor Tipo II, que es la frontera entre  las condiciones superconductoras y las de resistividad normal, en el espacio de tres dimensiones. El campo aplicado (B), la temperatura (T) y la densidad de corriente (J) deben quedar bajo la superficie crítica para mantener la  superconductividad.

 

Para los más utilizados en los imanes superconductores, Nb-Ti y Nb3Sn, el máximo campo crítico es 13 T y 27 T respectivamente, y la densidad de corriente > 105 A/cm² (comparada con  ~ 10A/cm² para el doméstico hilo de Cu).

Las temperaturas críticas para Nb-Ti y Nb3Sn  es de 10 K y 18 K respectivamente. EL Helíquido proporciona enfriamentos a 4.2 K  a presión atmosférica, y tan bajo como 1.8 K a presión reducida.

(Tomado de Lyndon Evans (2009). THE LARGE HADRON COLLIDER: A MARVEL OF TECHNOLOGY. CERN AND EPFL PRESS)

Los superconductores deben ser creados en hilos compuestos para aplicaciones con altas corrientes, formando esos hilo finalmente cables.

 

Presentan un diseño con múltiples filamentosde diámetro < 30 μm incrustado en una matriz de alta conductividad. Cando las condiciones en una región localizada del superconductor excede la superficie crítica aparecerá comportamento resistivo, produciendo un calentamiento local. Esto resultará en un efecto "dominó" que da lugar a una raápida transición de todo elsuperconductor al estado normal (quenching).

El diseño máis común para los imanes de Nb-Ties el  cable Rutherford, que consiste en un cable plano formado por hasta 46 hilos, formados a su vez por millares de filamentos. Los hilos son enlazados en forma de cordaje por razones electomagnéticas.

 (Image taken from  Wilson M. (2006). LECTURE. SUPERCONDUCTING ACCELERATORS. Cockroft Institute (www.cockcroft.ac.uk).

 


 

Más información en:

Rossi L. (2010). SUPERCONDUCTIVITY: ITS ROLE, ITS SUCCESS AND ITS SETBACKS IN THE LARGE HADRON COLLIDER OF CERN. Supercond. Sci. Technol. 23 (2010) 034001 (17pp).

Lee Peter J. (2002).  SUPERCONDUCTOR: WIRES AND CABLES: MATERIALS AND PROCESSES. The Applied Superconductivity Center, The University of Wisconsin-Madison.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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