La superconductivitat es un efecte pel qual un camp magnetic provoca l'aparicio d'un corrent electric en un conductor . Es la capacitat intrinseca que posseeixen certs materials per conduir el corrent electric amb resistencia nul·la en determinades condicions. La superconductivitat es dona per sota d'una determinada temperatura; no obstant aixo, no es suficient amb refredar el material, tambe es necessari no excedir un corrent critic ni un camp magnetic critic per poder mantenir l'estat superconductor. Aquesta propietat va ser descoberta en 1911 pel fisic holandes Heike Kamerlingh Onnes , quan va observar que la resistencia electrica del mercuri desapareixia quan el refredava a 4 K (-269 °C).

El fenomen es produeix en diversos materials: des d'elements simples, com l' estany i l' alumini , a semiconductors molt dopats i determinats compostos ceramics que contenen plans d'atoms de coure i oxigen . No es produeix en metalls com l' or o l' argent ni en la majoria de metalls ferromagnetics .

La superconductivitat es un efecte purament quantic, i no es pot entendre extrapolant les lleis classiques de la conductivitat electrica i l'electromagnetisme. Actualment, si be es compren perfectament a nivell teoric el fenomen convencional de la superconductivitat, encara no es disposa d'una explicacio teorica per a la superconductivitat d'alta temperatura , descoberta el 1987 i que apareix en la majoria de cuprats.

Fenomens basics [ modifica ]

Efecte Meissner [ modifica ]

Quan es col·loca un superconductor en un camp magnetic extern H relativament feble, el camp penetra dins el superconductor nomes una petita distancia λ , anomenada profunditat de penetracio, mes enlla de la qual cau rapidament a zero. Aquest fet s'anomena efecte Meissner i es caracteristic de la superconductivitat. Per a la majoria de superconductors λ es de l'ordre de 100 nm.

L'efecte Meissner desapareix quan el camp magnetic es massa intens. Segons com es produeix aquesta desaparicio els superconductors es divideixen en dos grups. En els superconductors de tipus I la superconductivitat desapareix sobtadament quan la intensitat del camp magnetic supera un cert valor critic H _c . Segons la geometria de la mostra es pot obtenir un estat intermedi amb regions normals amb camp magnetic mesclades amb regions superconductores sense camp. La majoria de superconductors elementals purs (excepte el niobi , el tecneci , el vanadi i els nanotubs de carboni ) son de tipus I.

En els superconductors de tipus II , quan el camp magnetic sobrepassa el valor H _{c 1} apareix un estat mesclat en que cada vegada mes camp magnetic penetra en el material, pero segueix havent-hi resistencia electrica nul·la sempre que el corrent no sigui massa intens. Quan se sobrepassa un segon valor H _{c 2} , superior al primer, la superconductivitat es destrueix del tot. L'estat mesclat es produit en realitat per vortexs de camp en els supercorrents, a vegades anomenats fluxons, ja que el seu flux esta quantitzat. Gairebe tots els superconductors compostos i impurs son de tipus II.

L'efecte Meissner i el diamagnetisme [ modifica ]

A vegades l'efecte Meissner es confon amb un diamagnetisme perfecte, es a dir, amb el diamagnetisme que hom esperaria trobar en un conductor perfecte. Segons la llei de Lenz , un camp magnetic variable induira corrents electriques en un material conductor que, al seu torn, crearan un camp magnetic que s'oposa a les variacions de l'original. En un conductor perfecte es pot induir un corrent arbitrariament gran, de manera que el camp magnetic resultant cancel·li exactament el camp magnetic aplicat. L'efecte Meissner es diferent, perque expulsa tots els camps magnetics, no nomes els variables. Si tenim un material superconductor en estat normal (no superconductor) amb un camp magnetic i l'anem refredant, quan superem la temperatura critica observarem l'expulsio sobtada de tot el camp magnetic intern, comportament que no te res a veure amb la llei de Lenz.

Resistencia nul·la [ modifica ]

L'aparicio de l'estat superconductor es deguda a la capacitat del material de crear supercorrents. Aquests son corrents d'electrons que no dissipen energia, de manera que es poden mantenir eternament sense perdre energia per generacio de calor ( efecte Joule ). Els corrents creen l'intens camp magnetic necessari per a sustentar l'efecte Meissner. Aquests mateixos corrents permeten transmetre energia sense despesa energetica, l'efecte mes espectacular d'aquest tipus de materials. Com que la quantitat d'electrons superconductors es finita, la quantitat de corrent que pot suportar el material es limitada. Per tant, existeix un corrent critic a partir del qual el material deixa de ser superconductor i comenca a dissipar energia.

En un material conductor normal el corrent electric es pot considerar com un flux d'electrons movent-se per una xarxa d'ions pesats i els xocs dels electrons amb els ions de la xarxa son l'origen de la resistencia electrica i, per tant, de la perdua de part de l'energia en forma de calor ( efecte Joule ). En un superconductor la situacio es diferent; en els superconductors de tipus I els electrons s'aparellen formant els anomenats parells de Cooper . Aquesta unio s'aconsegueix mitjancant l'intercanvi de fonons (es a dir, que s'uneixen gracies a les vibracions de la xarxa cristal·lina). Els parells de Cooper es comporten com una sola particula de spin enter (un boso , doncs) i no estan sotmesos al principi d'exclusio de Pauli , de manera que es poden desplacar sense interaccionar amb els ions de la xarxa. Es pot demostrar que aquest parell de Cooper nomes podra ser excitat amb una energia ${\displaystyle E}$ que es superior a l'energia termica de la xarxa (que es igual a ${\displaystyle kT}$, on ${\displaystyle k}$ es la constant de Boltzmann i ${\displaystyle T}$ la temperatura). Aixo vol dir que per sota d'una certa temperatura els ions de la xarxa no podran intercanviar energia amb els electrons i aquests passaran a traves del material sense perdre energia: la resistencia al pas dels electrons haura desaparegut.

En els superconductors de tipus II apareix una petita resistivitat a temperatures no gaire per sota de la temperatura critica quan s'hi aplica corrent electric juntament amb un camp magnetic intens (que pot ser causat pel mateix corrent). Aixo es consequencia del moviment dels vortexs, que dissipa part de l'energia del corrent.

Transicio de fase superconductora [ modifica ]

Problema no resolt en fisica : Quin es el mecanisme fisic que explica la superconductivitat d'alta temperatura ? Per que la teoria BCS no pot explicar-la?

En els materials superconductors aquest estat apareix quan la temperatura T disminueix per sota d'una certa temperatura critica , T _c , que es caracteristica de cada material. Els superconductors de tipus I tenen temperatures critiques que poden ser menors que 1 K fins als 20 K aproximadament. El 2001 la maxima temperatura de transicio d'un superconductor de tipus I era de 39 K (per al diborur de magnesi, MgB₂). Els cuprats tenen temperatures critiques molt superiors: YBa₂Cu₃O?, un dels primers cuprats superconductors que es van descobrir, te una T _c de 92 K i els cuprats basats en mercuri arriben a temperatures critiques superiors a 130 K. L'explicacio d'aquesta superconductivitat a tan alta temperatura roman un misteri.

L'aparicio de la superconductivitat s'acompanya de canvis sobtats en diverses propietats fisiques, evidencia d'una transicio de fase . Per exemple, la capacitat calorifica electronica es proporcional a la temperatura en l'estat normal; durant la transicio superconductora s'observa un salt brusc i posteriorment deixa de ser lineal: a baixes temperatures varia com e ^{? α / T} .

Teoria de la superconductivitat [ modifica ]

Des del descobriment de la superconductivitat s'han dedicat molts esforcos a determinar el mecanisme fisic que la provoca. Durant la decada de 1950 s'arriba a una comprensio solida de la superconductivitat convencional, mitjancant dues teories importants: la teoria de Ginzburg-Landau (1950), de caracter fenomenologic, i la teoria BCS (1957), que descriu el proces basic de formacio dels parells de Cooper i l'aparicio de la superconductivitat.

Despres del descobriment el 1987 dels superconductors d'alta temperatura s'intenta generalitzar la teoria BCS per incloure el nou fenomen, pero de moment tots els intents han estat infructuosos i es possible que hi entri en cap joc altre mecanisme no considerat.

Un dels grans investigadors de la superconductivitat dels materials fou Manuel Cardona . La seva investigacio va ser realitzada en bona part al Max Planck Institut , d'on n'acabaria sent director. ^[1]

Aplicacions [ modifica ]

Els superconductors tenen moltes aplicacions a diferents camps. Algunes encara necessiten anys de recerca per poder-ne extreure beneficis directes, pero d'altres ja avui en dia donen profits en els seus ambits.

En la ciencia s'apliquen per fer electroimants molt potents que es necessiten en acceleradors de particules , ja que els superconductors, al no perdre energia per efecte Joule , poden transportar grans intensitats de corrents en cables mes prims. En el transport es fan servir per construir els trens levitants que floten sobre les vies i arriben a velocitats superiors a les de qualsevol tren convencional; el Maglev MLX01 s'esta provant des del 1970 al Japo i ha arribat als 580 km/h. En medicina s'apliquen en les ressonancies magnetiques nuclears (RMN), per als squids ( superconducting quantum interference device ) utilitzats des dels anys 1960 per ser capacos de detectar camps magnetics de 10 ^-1 4 T.

En aplicacions energetiques es fan servir sobretot en el transport de corrent, que actualment fa perdre un 35% de l'energia produida a les centrals electriques per culpa de l'efecte Joule. El transport d'energia amb cables fets amb superconductors podria reduir aquesta perdua a menys de l'1%. El departament d'energia dels Estats Units va anunciar recentment, que pretenia instal·lar a una substacio electrica de Detroit 130 metres de cable superconductor, que substituint el coure faria que la nova instal·lacio tingues tres vegades la capacitat de l'anterior; la inversio prevista es de 5,5 milions de dolars.

Classificacio dels superconductors [ modifica ]

Els superconductors se solen classificar segons diferents criteris, com poden ser el comportament fisic, el material del qual esta fet o el seu cost economic. En el fenomen de la superconductivitat ens trobem amb dos tipus de comportament en funcio dels quals es poden classificar els materials superconductors.

Segons el criteri de Aleksei Abrikosov proposat el 1957 ^{[2] [3]}

Superconductors de tipus I

Els materials per sota de la temperatura Tc tenen un comportament que ve descrit per l'efecte Meissner, que es coneix com a estat superconductor, en arribar a la temperatura de Tc s'assoleix un camp magnetic maxim anomenat camp critic Hc, a partir del qual es perd el comportament diamagnetic i s'adquireix un comportament conductor.

Superconductors de tipus II

En aquest tipus de materials es presenta el que podria anomenar-se un desdoblament del camp critic, per sota del camp critic inferior Hc1 el seu comportament es el de superconductor, per sobre del camp critic superior Hc2 el comportament es el de conductor, entre Hc1 i Hc2 es passa gradualment del comportament superconductor al comportament conductor.

De manera mes rigorosa es fa servir el parametre de Ginzburg-Landau :

si ${\displaystyle \kappa \ll 1}$ llavors l'energia superficial del superconductor es positiva i es tracta d'un superconductor de tipus I

si ${\displaystyle \kappa >1/{\sqrt {2}}}$ (especialment, si ${\displaystyle \kappa \gg 1}$) aleshores l'energia superficial del superconductor es negativa i es tracta d'un superconductor de tipus II.

Per la teoria que els explica [ modifica ]

Superconductors convencionals: son aquells que es poden explicar mitjancant la teoria BCS o a la interaccio de parells electro-fono.

Superconductors no convencionals: son aquells que no es poden explicar mitjancant les teories anteriors. La importancia d'aquest criteri de classificacio es basa en la teoria BCS, que explica amb exit les propietats dels superconductors convencionals des de 1957 , mentre que no acaba d'haver-hi una teoria satisfactoria que expliqui els superconductors no convencionals.

Per tal de poder explicar els superconductors no convencionals se sol utilitzar la teoria Ginzburg-Landau , aquesta teoria es de caracter macroscopic, de fet l'estudi del superconductors no convencionals es encara un dels problemes no resolts de la fisica.

La majoria de vegades els "superconductors convencionals" son del "tipus I", encara que hi ha algunes excepcions com el niobi o el diborur de magnesi que son de tipus II.

Per la seva temperatura critica [ modifica ]

Superconductors de baixa temperatura: solen anomenar-se aixi aquells que tenen una temperatura critica per sota dels 77 K .

Superconductors d'alta temperatura : solen anomenar-se aixi aquells que tenen una temperatura critica per sobre dels 77K.

El criteri d'agafar la temperatura de 77K resideix en el cost dels refrigerants que s'han d'utilitzar, per sobre del 77K es pot fer servir nitrogen liquid que es mes economic que no pas l' heli liquid que es fa servir per refrigerar per sota dels 77K.

D'altra banda els superconductors d'alta temperatura son molt mes interessants des del punt de vista de les aplicacions practiques, rao per la qual se centren en ells molts dels estudis dels centres d'investigacio i desenvolupament per tal de dissenyar materials que tinguin una temperatura critica mes alta.

Pel material [ modifica ]

• Elements purs (no tots els elements purs assoleixen l'estat superconductor), la majoria dels superconductors que son elements purs son del tipus I, amb l'excepcio del niobi, el tecneci , el vanadi i les estructures de carboni que s'anomenen mes a baix.
• Aliatges , com per exemple:

1. El NbTi (niobi- titani ) la seva propietat superconductora es va descobrir en 1962 .
2. El AuIn ( Or - indi ), un superconductor descobert en 1997 .
3. El URhGe (aliatge d' urani , rodi i germani ), del qual es va descobrir en 2005 que continua sent superconductor inclos a elevats camps magnetics ^[4]

(encara que la seva temperatura critica es molt baixa, uns 0.28K).

• Superconductors organics, estructures de carboni (concretament fulerens i nanotubs ). Donat que estan compostos unicament per atoms de carboni, tecnicament es poden considerar entre els elements purs, pero com que son metalls es poden classificar com a grup a part.
• Ceramiques entre les quals tenim:

1. El grup YBCO , conegut per les seves sigles angleses per oxids d' itri , bari i coure , son tota una familia de materials molt complexes, i els superconductors d'alta temperatura mes coneguts.
2. El diborur de magnesi (MgB₂), la seva temperatura critica es 39K, ^[5]

el que el converteix en el superconductor convencional de temperatura critica mes alta conegut.

Notes [ modifica ]

Enllacos externs [ modifica ]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimedia relatiu a: Superconductivitat

• Univ. de Cambridge - Lectures sobre superconductivitat Arxivat 2010-08-21 a Wayback Machine . (angles)
• Superconductors.org (angles) (frances)
• Univ. de Cambridge - Motor amb HTS ^{[ Enllac no actiu ]} (angles) Us de superconductors en l'estator d'un motor