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Superconductividad
Ing. Julio Noel Canales Departamento de
Ingenieria Electrica Universidad Nacional de
Ingenieria
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Qué es la superconductividad ?

• En 1908 Kammerling Onnes licua gas Helio en
  Leiden, Holanda.
• Primer acceso a 4.2 K (- 268.8 oC)

• En 1911 descubre la superconductividad.
• Su tesista Gilles Holst mide R(T) del Hg
  puro. R 0

1913 Premio Nobel
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La resistencia eléctrica (el modelo de Drude gas
de electrones)
Gas de electrones libres no interactuantes en
una estructura periódica sin imperfecciones
Conducción infinita
Hay resistencia eléctrica por los defectos de la
red cristalina
Estructura cristalina de un sólido
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Qué esperaban medir?
T ? Tc R 0 !!!!
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Superconductores de baja Tc
Mater. Tc (K) Al 1.19 Sn 3.72 Hg
4.15 Pb 7.20
Ta3Pb  17 V3Si 17.1 Nb3Al 18 Nb3Sn 18.1
Nb3Si 19 Nb3Ge 23.2
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Un diamagneto perfecto
Walter Meissner y Robert Ochsenfeld muestran
que los SC expulsan el camp magnético de su
interior (1933)
imán
SC
líneas de campo magnético
Es un estado termodinámico, no importa la historia
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Un diamagneto perfecto
T ? Tc, Hap
Del experimento de Meissner y Oschenfeld se
deduce que la Superconductividad es más que R0
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Una nueva ecuación constitutiva
(Fritz y Heinz London, 1935)
Ecuación de London
B B0 exp(-x/ ?L)
E (4?/c) ?2L dJ/dt
?L 300nm
(E r (T) J para un conductor)
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Diagrama de fases Hc - Tc
Long. penetración de corrientes l ? 0.3 ?m
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La validez de una teoría en 1957, Abrikosov
predice la existencia de otros superconductores y
los llama de Tipo II
? como varía H , ? como varía ?
Según ? / ? se tiene que
Tipo I energía de pared Tipo II energía de
pared -
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Predic. teóricas confirmadas experimentalmente
En 1967 se confirma la predicción de Abrikosov
(basada en la teoría de GL)
Primera imagen de la red de vórtices, U.
Essmann and H. Trauble(1967)
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Diagrama de fases H-T para los superconductores
Tipo-I
Tipo-II
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Observando vórtices en la actualidad
Creep flow flux motion probed by STM on a
pristine NbSe2 crystal. A.M.Troianovski, J.Aarts
and P.H.KesLeiden University. After setting the
magnetic field from 0 to 0.6T. Scanning area is
about 230x355 nm.
Imagen magneto-óptica Grupo del Dr. Johansen Oslo
Noruega visualización de avalanchas Con forma
dendrítica
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Una teoría para la superconductividad
En 1957 los físicos americanos John Bardeen,
Leon Cooper, John Schrieffer publican la Teoría
BCS, describe la superconductividad
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Teoría BCS los electrones se atraen
(S 0, bosón)
(m2m y e2e)
2 electrones se atraen formando un par de Cooper
La interacción mediada por fonones produce el
apareamiento de dos electrones (la temperatura
borra esta interacción) Los electrones
conforman un estado colectivo que no puede
romperse al chocar con las imperfecciones de la
red cristalina Gracias a esta teoría se
pudieron explicar resultados experimentales
ligados al calor especifico, efecto túnel, etc..
T lt 30 K
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Un gran descubrimiento (1986) cupratos
superconductores de alta Tc
Alex Müller y Georg Bednorz, de IBM Research
Laboratory en Suiza
con una Tc 30 K
Período de mucha efervescencia en la comunidad de
materia condensada!
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Temperatura crítica de compuestos superconductores
Nitrógeno líquido (77 K)
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Evolución de Tc con los años
Récord 166 K en un compuesto de Hg bajo presión
(M. Monteverde, Carlos Acha, M.Nuñez Regueiro,
et. al.)
LN
Hole doped C60
MgB2
LHe
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Estado actual de las investigaciones

• No existe un modelo teórico que explique
• la superconductividad de alta Tc

• Si bien no parece existir un impedimento para
  lograr
• una Tc a temperatura ambiente, parecen haberse
• agotado los caminos para lograrlo con estos
  materiales

• Mucho esfuerzo puesto en el área de las
  aplicaciones

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Algunas Aplicaciones

• Capacidad de transportar grandes densidades
• de corriente eléctrica sin disipación

• Generación de campos magnéticos intensos, por
• encima de los valores de saturación del hierro y
  
• mantenidos indefinidamente sin consumo de energía

• Uso de las propiedades particulares del estado
• superconductor efecto Josephson

• Necesidad de ser enfriados y mantenidos por
  debajo
• de su temperatura crítica (Tc )

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Tecnología en cables superconductores
Corte de un cable Multifilamentario de NbSn
Corriente crítica en función del campo magnético
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Bobinas en equipos de RMN
Diagnósticos por imágenes con Resonancia
Magnética Ya se usan en muchos centros de
salud para obtener imágenes de tejidos blandos.
El paciente se recuesta en una camilla que debe
introducirse dentro del imán. La bobina
superconductora produce campos magnéticos
intensos y muy estables que determinan la calidad
de las imágenes.
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Cables en líneas de potencia
Pueden aumentar la capacidad de transmisión del
conexionado convencional de 3 a 5 veces, sin
requerir la excavación de nuevos conductos
subterráneos 3000 A con 30 m largo desde febrero
de 2000 en Oak Ridge
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Transformadores
Ofrecen una alternativa altamente eficiente,
compacta y liviana frente a los actuales
transformadores refrigerados por aceite. 5/10-MVA
Alpha prototype en construcción 25 kV/4.2 kV ,
mas eficiente, menor contaminación ambiental,
enfriado por ciclo cerrado
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Limitadores de fallas de corriente
Protegen líneas de transmisión, cables y
equipamiento de picos de corriente producidos por
eventuales cortocircuitos, tormentas eléctricas o
fluctuaciones de línea . Las bobinas
superconductoras utilizadas en el diseño
controlan el pico de corriente durante un dado
intervalo permitiendo que accione la llave de
corte.
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Motores y generadores
Construidos con alambre de un SAT (BSCCO). Las
bobinas serán utilizadas en generadores de alta
eficiencia y bajo costo.
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Trenes levitados magnéticamente (MAGLEV)
En 1990 se lanzó como proyecto nacional japonés.
En abril de 1997 se inauguró una nueva línea en
Yamanshi . Ese año el MLX01 con 3 vagones marcó
el record de 531 km/h. En abril 14, 1999, se
creó el nuevo record de 552 km/h. Desde el 2003
también funciona un Maglev que une la ciudad de
Shanghai con su aeropuerto internacional (430
km/h).
Motor lineal y frenos aerodinámicos
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Magnetoencefalografía (MEG)
Neuromag Ltd. 122 sensor array
Mide el campo B generado por el cerebro, 1 billón
de veces menor que el campo terrestre.
Variaciones inducen corriente en una bobina
conectada a un SQUID. Cuesta varios 10 6 ua No
es anatómico sino funcional, en tiempo real.