SEP S.N.E.S.T D.G.E.S.T

INSTITUTO TECNOLÓGICO “Por una tecnología propia como principio de libertad” Del Istmo

ESPECIALIDAD:

ING. ELECTRICA

MATERIA:

TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES

TRABAJO:

“INVESTIGACION UNIDAD 3, 4, 5, 6”

CATEDRATICO:

ING. JOSE ALFREDO LEOS FUENTES

PRESENTAN:

SANTIAGO RUIZ JOSUE

SEMESTRE: GRUPO:

2º “L”

Heroica Cd. Juchitán de Zaragoza Oaxaca, 6 De JuLIo 2015

UNIDAD 3 SEMICONDUCTORES.

Generalidades.

Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.

La conductividad eléctrica de los materiales semiconductores no es tan alta como la de los metales; sin embargo, tienen algunas características eléctricas únicas que los hacen especialmente útiles. Las propiedades eléctricas de estos materiales son extremadamente sensibles a la presencia de incluso muy pequeñas concentraciones de impurezas.

Semiconductor intrínseco.

Intrínseco indica un material semiconductor extremadamente puro contiene una cantidad insignificante de átomo de impurezas. En el se cumple: n= p= ni

Semiconductores extrínsecos

Los semiconductores extrínsecos se forman añadiendo pequeñas cantidades de impurezas a los semiconductores puros. El objeto es modificar su comportamiento eléctrico al alterar la densidad de portadores de carga libre.

Estas impurezas se llaman dopantes. Así, podemos hablar de semiconductores dopados. En función del tipo de dopante, obtendremos semiconductores dopados tipo p o tipo n.

Para el silicio, son dopantes de tipo n los elementos de la columna V, y tipo p los de la III.

SEMICONDUCTOR EXTRINSECO.

SEMICONDUCTOR INTRINSECO

Semiconductores P y N.

En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos:

Impurezas pentavalentes. Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior.

Impurezas trivalentes: son elementos cuyos átomos tienen tres elementos de valencia en su orbital exterior.

Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace un mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N.

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P.

Unión PN.

Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e impurezas tipo N por otro se forma una unión PN. Los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en esta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos a dicha región. En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos. Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados están interaccionando entre si y por tanto, no son libres para recombinarse. Por todo lo anterior resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región P, ambas junto a la unión. Esta

distribución de cargas en la unión establece una barrera de potencial que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolo de la mencionada unión. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante.

Unión PN polarizada en directo.

Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N, la tensión U de la pila contrarresta la barrera de potencial creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrario. Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña. El flujo de electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior circulando con el sentido eléctrico real, que es el contrario al convencional establecido para la corriente eléctrica.

Unión PN polarizada en inverso.

Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a la región N y el polo negativo a la región P, la tensión U de la pila ensancha la barrera de protección creada por la distribución espacial de cargas en la unión, produciendo un aumento de iones negativos en la región P, y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones y huecos a través de la unión.

La unión PN se comporta de una manera asimétrica respecto de la conducción eléctrica, dependiendo del sentido de la conducción, se comporta como un buen conductor (polarizada en directo) o como un aislante (polarizada en inverso)

Semiconductores de potencia

Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniería eléctrica que consigue adaptar y transformar electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc.

Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores, al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control como en suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia.

El principal objeto de esta disciplina es el procesamiento de energía con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de perdidas por efecto joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte saturación (on/off).

Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:

Rectificador controlado de silicio Triac Transistor IGBT Tiristor IGBT MTC

UNIDAD 4 MATERIALES MAGNETICOS

El magnetismo, en el estado actual de la ciencia, se nos presenta como una propiedad general de la materia; es decir, cualquier sustancia en siempre activa frente a un campo magnético. Tal actividad se manifiesta porque al colocar un cuerpo en un campo magnético se pone en movimiento hacia las regiones de campos más débiles (cuerpos diamagnéticos) o hacia las regiones de campos más intensos (cuerpos paramagnéticos).

Las corrientes eléctricas crean campo magnético. Además, existen materiales naturales o sintéticos que crean campo magnético. Los campos creados por los materiales magnéticos surgen de dos fuentes atómicas: los momentos angulares orbitales y de espín de los electrones, que al estar en movimiento continuo en el material experimentas fuerzas ante un campo magnético aplicado. Por lo tanto, las características magnéticas de un material pueden cambiar por aleación con otros elementos, donde se modifican por las interacciones atómicas. Por ejemplo, un material no magnético como el aluminio puede comportarse como un material magnético en materiales como alnico (aluminio-níquel-cobalto) o manganeso-aluminio-carbono. También puede adquirir estas propiedades mediante trabajo mecánico u otra fuente de tensiones que modifique la geometría de la red cristalina.

Todo material está compuesto por átomos que contienen electrones móviles. Un campo magnético aplicado actúa siempre sobre los electrones considerados individualmente. Esto da origen al efecto universal llamado diamagnetismo. Este es un efecto clásico y depende solamente del movimiento de los electrones.

A nivel atómico, la superposición de los momentos magnéticos (orbital, debido al movimiento del electrón alrededor del núcleo, e intrínseco o de espín) aportados por los electrones al átomo o molécula del cual forman parte da un momento magnético resultante o neto al átomo o molécula.

Cuando hay un momento neto atómico o molecular los momentos magnéticos tienden a alinearse con el campo aplicado (o con los campos creados por momentosmagnéticos vecinos), dado lugar al efecto del paramagnetismo. Simultáneamente,la energía térmica omnipresente tiende a orientar al

azar a los momentos magnéticos, de manera que la intensidad relativa de todos estos efectos determinará en definitiva el comportamiento del material. En la figura se esquematiza un material no magnetizado: lo momentos magnéticos están orientados al azar.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES MAGNÉTICOS

1) Diamagnéticos El diamagnetismo es un efecto universal porque se basa en la interacción entre el campo aplicado y los electrones móviles del material. El diamagnetismo queda habitualmente enmascarado por el paramagnetismo, salvo en elementos formados por átomos o iones que se disponen en “capas” electrónicas cerradas, ya que en estos casos la contribución paramagnética se anula.

2) Paramagnéticos Los materiales paramagnéticos se caracterizan por átomos con un momento magnético neto, que Tienden a alinearse paralelo a un campo aplicado, se magnetizan débilmente en el mismo sentido que el campo magnético aplicado.

3) Ferromagnéticos En los materiales ferromagnéticos los momentos magnéticos individuales de grandes grupos de átomos o moléculas se mantienen lineados entre sí debido a un fuerte acoplamiento, aún en ausencia de campo exterior.

4) Antiferromagnéticos tienen un estado natural en el cual los espines atómicos de átomos adyacentes son opuestos, de manera que el momento magnético neto es nulo. Este estado natural hace difícil que el material se magnetice, aunque de todas formas adopta una permeabilidad relativa ligeramente mayor que 1.

5) Vidrios de espín En este tipo de materiales encontramos que algunos pares de espines van a reducir su energía si se alinean paralelamente, mientras que otros lo van a hacer cuando sus posiciones sean antiparalelas. Dado que cada espín interactúa con muchos otros espines, algunos de "sus compañeros" le pueden "pedir" que se alinee en una dirección y otros en otra.

MOMENTO MAGNETICO DE UN CAMPO

En física, el momento magnético de un elemento puntual es un vector que, en presencia de un campo magnético (inherentemente vectorial), se relaciona con el torque de alineación de ambos vectores en el punto en el que se sitúa el elemento. El vector de campo magnético a utilizarse es el B denominado como Inducción Magnética o Densidad de Flujo Magnético cuya magnitud es el Weber por metro cuadrado.

Momento magnético de espín

Los electrones y muchos núcleos atómicos también tienen momentos magnéticos intrínsecos, cuya explicación requiera tratamiento mecano cuántico y que se relaciona con el momento angular de las partículas. Son estos momentos magnéticos intrínsecos los que dan lugar a efectos macroscópicos de magnetismo, y a otros fenómenos como la resonancia magnética nuclear.

El momento magnético de espín es una propiedad intrínseca o fundamental de las partículas, como la masa o la carga eléctrica. Este momento está relacionado con el hecho de que las partículas elementales tienen momento angular intrínseco o espín, para partículas cargadas eso lleva inevitablemente a que se comporten de modo similar a un pequeño circuito con cargas en movimiento. Sin embargo, también existen partículas neutras sin carga eléctrica como el neutrón que sin embargo tienen momento magnético (de hecho el neutrón no se considera realmente elemental sino formado por tres quarks cargados).

Momento magnético μ de algunas partículas elementales

Neutrón

Momento magnético del electrón

El momento (dipolar) magnético de un electrón es:

Donde

es el magnetón de Bohr,

[la teoría clásica predice que ; un gran éxito de la ecuación

de Dirac fue la predicción de que , que está muy cerca del valor exacto (que es ligeramente superior a dos; esta última corrección se debe a los efectos cuánticos del campo electromagnético)].

es la constante de Plank racionalizada y S es el espín del electrón

MOMENTO MAGNETICO DE UN ATOMO

La causa física del magnetismo en los cuerpos, distinto a la corriente eléctrica, es por los dipolos atómicos magnéticos. Dipolos magnéticos o momentos magnéticos, en escala atómica resultan de dos tipos diferentes del movimiento de electrones. El primero es el movimiento orbital del electrón sobre su núcleo atómico; este movimiento puede ser considerado como una corriente de bucles, resultando en el momento dipolar magnético del orbital. La segunda, más fuerte, fuente de momento electrónico magnético es debido a las propiedades cuánticas llamadas momento de spin del dipolo magnético (aunque la teoría mecánica cuántica actual dice que los electrones no giran físicamente, ni orbitan el núcleo). El momento magnético general de un átomo es la suma neta de todos los momentos magnéticos de los electrones individuales. Por la tendencia de los dipolos magnéticos a oponerse entre ellos se reduce la energía neta, en un átomo los momentos magnéticos opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre ellos, ambos en un movimiento orbital y en momentos magnéticos de espín. Así, en el caso de un átomo con orbitales electrónicos o suborbitales electrónicos completamente llenos, el momento magnético normalmente se cancela completamente entre ellos y solo los átomos con orbitales electrónicos semillenos tienen un momento magnético, su fuerza depende del número de electrones impares. La diferencia en la configuración de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y magnitud de los momentos atómicos magnéticos, lo que a su vez determina la diferencia entre las propiedades magnéticas de varios materiales. 

En los átomos tenemos momentos magnéticos asociados al movimiento orbital de los electrones pero también asociados al espín intrínseco de los mismos. El núcleo también tiene espín y por lo tanto momento magnético, pero a causa de su mayor masa el efecto resulta difícilmente observable. Consideraremos como momento magnético atómico el resultante de sumar (vectorialmente) los momentos magnéticos orbitales e intrínsecos de sus electrones.

UNIDAD 5 DIELECTRICOS

Dieléctrico: Se denomina dieléctrico al material mal conductor de electricidad, por lo que puede ser utilizado como aislante eléctrico, y además si es sometido a un campo eléctrico externo, puede establecerse en él un campo eléctrico interno, a diferencia de los materiales aislantes con los que suelen confundirse. Todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos.

LA PERMITIVIDAD: (o impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío es 8,8541878176x10-12 F/m.

La permitividad está determinada por la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicación de un campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Está directamente relacionada con la susceptibilidad eléctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga eléctrica se almacene con un campo eléctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.

Explicación: En electromagnetismo se define un campo de desplazamiento eléctrico D, que representa cómo un campo eléctrico E influirá la organización de las cargas eléctricas en el medio, por ejemplo, redistribución de cargas y reorientación de dipolos eléctricos. La relación de ambos campos (para medios lineales) con la permitividad es

Se mide en: el faradio por metro (F/m), en culombios por metro cuadrado (C/m2), en voltios por metro (V/m).

PERMITIVIDAD DEL VACÍO;

La permitividad del vacío es el cociente de los campos D/E en ese medio. También aparece en la ley de Coulomb como parte de la constante de fuerza

de Coulomb, que expresa la atracción entre dos cargas unitarias en el vacío.

Donde c es la velocidad de la luz y μ0 es la permeabilidad magnética del vacío. Estas tres constantes están totalmente definidas en unidades del SI.

PERMITIVIDADES ABSOLUTA Y RELATIVA: La permitividad de un material se da normalmente en relación a la del vacío, denominándose permitividad relativa, (también llamada constante dieléctrica en algunos casos). La permitividad absoluta se calcula multiplicando la permitividad relativa por la del vacío:

Donde es la susceptibilidad eléctrica del material. En la siguiente tabla se muestran las Permitividades absolutas de algunos dieléctricos:

Material (p F /m) Material (pF/m)

Aceite mineral 19,5 Caucho de 20 a 50

Acetona 191 Madera de 10 a 60

Aire 8,84 Papel duro 49,5

Agua destilada 81 PVC de 30 a 40

Baquelita de 50 a 80 Vidrio de 40 a 60

BOMBAS DE ENERGIA (TIPOS DE BOMBAS)

Tipos de bombas:

Según el principio de funcionamiento: La principal clasificación de las bombas según el funcionamiento en que se base:

Bomba de lóbulos dobles. Bomba de engranajes.

Bomba roto-dinámica axial. Bomba centrífuga de 5 etapas.

Bombas de desplazamientos positivos o volumétricos, en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en:

Bombas de émbolo alternativo, en las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.

Bombas volumétricas rotativas o roto-estáticas, en las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas

son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.

Bombas roto-dinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Estas turbo-máquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:

Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor.

Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro.

Diagonales o helicocentrífugas, cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.

Según el tipo de accionamiento Electrobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas por motores de explosión:

Bombas neumáticas que son bombas de desplazamiento positivo en las que la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire comprimido.

Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete o la noria.

Bombas manuales.

TERCERA LEY DE COULOMB

La ley de Coulomb puede expresarse como:

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrostática.

En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como:

Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud está dada por:

CLASIFICACION DE LOS DIELECTRICOS

Los dieléctricos se clasifican en dos grupos principales: dieléctricos polares y dieléctricos no polares.

Influencia de un campo eléctrico en un dieléctrico tipo polar:Las moléculas de algunos dieléctricos tienen la propiedad de que la distribución interna de sus cargas no es simétrica. En estos casos la parte positiva y negativa de cada molécula está separada una de otra. Si al dieléctrico se le aplica un campo eléctrico, estas moléculas llamadas dipolos, no se desplazan como lo hacen lo electrones en lo metales, sino que se orientan según el campo aplicado.Con esta situación se dice que el dieléctrico ha sido polarizado. Cuando el campo eléctrico desaparece, las moléculas vuelven a su estado original.

Influencia de un campo eléctrico en un dieléctrico tipo no polar:Este tipo de dieléctrico está constituido por moléculas simétricas, desde el punto de vista de distribución de cargas. Cuando se aplica un campo eléctrico intenso a este dieléctrico, las moléculas se transforman en dipolos orientados según el campo aplicado. En este tipo de polarización, cuando el campo eléctrico desaparece, las moléculas recobran simetría anterior.

De forma similar al caso de la polarización de un conductor, la polarización de un dieléctrico es producida por la energía transportada por el campo eléctrico.

UNIDAD 6 SUPERCONDUCTORES

SUPERCONDUCTOR Es un elemento, compuesto o aleación inter-metálica que conduce electricidad sin resistencia por debajo de una cierta temperatura. La resistencia es indeseable dado que esta produce pérdidas de energía a través del material. Una vez puesta en movimiento la corriente eléctrica fluirá para siempre en un circuito cerrado de un material superconductor acercándose cada vez al movimiento perpetuo de la naturaleza.

.Historia .Los materiales superconductores no tienen resistencia al flujo de electricidad, son uno de los más grandes descubrimientos de la ciencia. "No sólo los límites de la superconductividad todavía no se ha alcanzado, pero las teorías que explican el comportamiento superconductor parecen estar bajo constante revisión. "En 1911, la superconductividad fue observado por primera vez en el mercurio por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes de la Universidad de Leiden (mostrado arriba). Cuando seenfría hasta la temperatura de helio líquido, 4 grados Kelvin (-452F,-269C), su resistencia desapareció de repente. La escala Kelvin representa un \"absoluto\" escala de temperatura. Por lo tanto, era necesario que Onnes a venir dentro de los 4 grados de la temperatura más baja que teóricamente es posible para presenciar el fenómeno de la superconductividad.

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones.

La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

 MATERIALES SUPERCONDUCTORES

Los materiales superconductores son aquellos que poseen superconductividad, que es la capacidad de conducir corriente eléctrica sin resistencia y pérdida de energía en determinadas condiciones. La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material sufría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

Comportamiento magnético

El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implica la ruptura brusca del estado superconductor si se supera la temperatura crítica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones.

cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo magnético externo débillo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Éstos van aumentando en número colocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas a adecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan al toque el material deja de ser superconductor. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.

Obtención de materiales superconductores

Debido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido (el nitrógeno líquido sólo es útil cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje necesario es complejo y costoso, utilizándose en muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, la construcción de electroimanes muy potentes para resonancia magnética nuclear.

Un superconductor no es simplemente un conductor normal perfecto

Al contrario de lo que se podría pensar en principio, un superconductor se comporta de un modo muy distinto a los conductores normales: no se trata de un conductor cuya resistencia es cercana a cero, sino que la resistencia es exactamente igual a cero. Es tono se puede explicar mediante los modelos empleados para los conductores habituales ,como por ejemplo el modelo de Drude

APLICACIONES

La mayoría de los cables eléctricos se fabrican con cobre por ser uno de los

materiales que mejor transmiten la energía eléctrica,. Sin embargo, siempre

existe una resistencia.

Esta es menor en la plata y el oro, pero por ser más caros solo se utilizan en

casos especiales. Existe otro tipo de material, los superconductores,

cuya resistencia al paso de la corriente eléctrica es prácticamente nula.

La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike

Kamerlingh Onnes, quien observó que la resistencia eléctrica del mercurio

desaparecía al llegar a los 4 K(-269°C). La superconductividad se ha

observado en diferentes tipos de materiales como el aluminio, estaño y otras

aleaciones, sin embargo, esto no ocurre en metales nobles como el oro y la

plata ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

El cambio del comportamiento normal a superconductor ocurre de forma

drástica, a una cierta temperatura que depende del material. A esta

temperatura se le conoce como temperatura crítica.

Estos primeros superconductores tienen una temperatura crítica muy baja

debajo de los 20 K, lo que dificulta su uso práctico en la industria. Sin embargo,

recientemente se han descubierto nuevos materiales que alcanzan su

temperatura critica a unos 80 a 90 Kelvin, esto puede abaratar enormemente

los costos de enfriamiento, y así usar esta tecnología en aparatos más

complejos.

Los superconductores pueden tener muchas aplicaciones. Actualmente se les

utiliza para crear campos magnéticos muy intensos, utilizados en escáneres

para uso médico, así como frenos y aceleradores magnéticos (puedes ver el

video de un tren magnético) y en reactores nucleares. De ser posible su

manejo a temperaturas más altas podría utilizarse en computación y en la

creación de motores más potentes, así como en medios de transporte que

leviten en el aire.

Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en máquinas para la resonancia magnética nuclear en hospitales y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partículas. También pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas.

.Los superconductores se han utilizado también para hacer circuitos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil. Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que son los bloques deconstrucción de los SQUIDs (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros conocidos más sensibles. Una serie de dispositivos Josephson se han utilizado para definir el voltio en el sistema internacional (SI). En función de la modalidad de funcionamiento, una unión Josephson se puede utilizar como detector de fotones o como mezclador.

El gran cambio en la resistencia a la transición del estado normal al estado superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores de fotones criogénicos. Están apareciendo nuevos mercados donde la relativa eficiencia, el tamaño y el peso delos dispositivos basados en los superconductores de alta temperatura son superiores a los gastos adicionales que ellos suponen. Aplicaciones futuras prometedoras incluyen transformadores de alto rendimiento, dispositivos de almacenamiento de energía, la transmisión de energía eléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para la propulsión de vehículos, como en vactrains o trenes maglev) y dispositivos de levitación magnética. Sin embargo la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento de modo que las aplicaciones que usan corriente alterna (por ejemplo, los transformadores) serán más difícil de elabora rque las que dependen de corriente continua.