MIME-Version: 1.0 Content-Type: multipart/related; boundary="----=_NextPart_01D848DF.65725C10" Este documento es una página web de un solo archivo, también conocido como archivo de almacenamiento web. Si está viendo este mensaje, su explorador o editor no admite archivos de almacenamiento web. Descargue un explorador que admita este tipo de archivos, como Windows® Internet Explorer®. ------=_NextPart_01D848DF.65725C10 Content-Location: file:///C:/32CB324E/4.IsbelGarcesSuperconductividadymagnetismo.Nocionesbasicasyaplicaciones2rarevision.htm Content-Transfer-Encoding: quoted-printable Content-Type: text/html; charset="us-ascii"

Superconductividad y magnetismo. Nociones básicas y aplicaciones<= /a>

Superconductivity and magnetism. Basic Smattering= and applications

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¹	Isbel Garcés Ramírez &nbs= p; &nbs= p; &nbs= p; https://orcid.org/0000-0003-2183-7275 Universidad de Matanzas, Facultad de Ciencias Empresariales, Carrera de Ingeniería Industri= al, Matanzas, Cuba garcesisbe15@gmail.com
²	Tomás Espinoza Achong &nbs= p; ^{&nbs= p; &= nbsp;} &nbs= p; https://orcid.org/0000-0002-7140-207X Universidad de Matanzas, Facultad de Educación tomas.espinosa@umcc.cu = ;	<= /span>
³	Thalía Pérez Ramos &nbs= p; &= nbsp; &nbs= p; &= nbsp; https://orcid.org/0000-= 0002-4220-6256 Universidad de Matanzas, Facultad de Ciencias Empresariales, Carrera de Ingeniería Industri= al, Matanzas, Cuba thaliaperezr@gmail.com
⁴	Efraín Velasteguí López &nbs= p; &= nbsp; &nbs= p; https://orcid.org/0000-0002-7353-5853 Universidad Técnica de Babahoyo (UTB), Facultad de Ciencias de la Educación, Babahoyo, Ecuador evelasteguil@utb.edu.ec

=	Artículo de Investigación Científica y Tecnológica Enviado: 08/01/2022 Revisado: 23/01/2022 Aceptado: 05/02/2022 Publicado:05/04/2022 DOI: https://doi.or= g/10.33262/cienciadigital.v6i2.2109 <= /span>
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Cítese:		Garcés Ramírez, I., Espinoza Achong, T., Pérez Ramos , T., & Velasteguí López, E. (2022). Superconductividad y magnetismo. Nociones básicas y aplicaciones. Ciencia Digital, 6(2), 72-86. https://doi.or= g/10.33262/cienciadigital.v6i2.2109
		CIENCIA DIGITAL, es una Revista multidisciplinaria, Trimestral, que se publicará en soporte electrónico tiene como misió= n contribuir a la formación de profesionales competentes con visión humanística y crítica que sean capaces de&nbs= p; exponer sus resultados investigativos y científicos en= la misma medida que se promueva mediante su intervención cambios positivos en la sociedad. ht= tps://cienciadigital.org <= span style=3D'font-size:8.0pt;mso-fareast-font-family:Calibri;mso-ansi-languag= e: ES-EC'>La revista es editada por la Editorial Ciencia Digital (Editorial = de prestigio registrada en la Cámara Ecuatoriana de Libro con No de Afiliación 663) ww= w.celibro.org.ec
		Esta revista está protegida bajo una licencia Creative Comm= ons AttributionNonCommercialNoDerivatives 4.0 International. Copia de la licencia: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0= /.
Palabras claves: superconductividad, temperatura crítica, electrón, cero absolutos . =	=	Resumen Introducción. El acelerado desarrollo alcanza= do en la sociedad ha dado lugar a la incesante búsqueda de recursos factibles para evitar la contaminación ambiental, resulta que los materiales superconductores pueden ser precisos en la causa. Al perder re= sistencia pueden ser muchos más eficaces y eficientes posibilitando además que se expandan nuevas ramas del conocimiento. Objetivo: El objetivo de esta investigación es realizar una compilación de los aspectos más generales de la superconductividad, fenómeno fís= ico que se torna cada día más relevante en la búsqueda d= el desarrollo ecológico. Además, de sentar las bases para futu= ras investigaciones que puedan desvelar los aspectos que aún no son conocidos en la superconductividad. Metodología: Para realizar el compendio de la superconductividad se menciona los aspectos más generales del tema y para ello fue consultada la bibliografía relacionada con el tema, consultándose a especialistas en diferentes materias cuya información fue la base = para enriquecer este trabajo. Resulta= dos: Cuando una muestra volumétrica pierda la resistencia a una determinada temperatura crítica (Tc) y en esa misma temperatura se aprecia el efecto Meissner-Ochsenfeld, la reconocemos (solo entonces) como un superconductor. Los materiales superconductores poseen una gran variabili= dad en sus aplicaciones debido a las características propias que tiene= n. Conclusiones: Es característico de cada superconduc= tor la pérdida la pér= dida total de resistencia a cierta temperatura crítica. El efe= cto Meissner-Ochsenfeld, se basa en q= ue un imán flota sobre una muestra a causa de que e= sta expulsa un flujo magnético, al pasar al estado superconductor. Exi= sten dos tipos de superconductores: los superconductores de tipo I que no son = los metales o elementos puros que presentan una exclusión de flujo completa (efecto Meissner) y que tiene valores de temperatura crít= ica (Tc) cercanos al cero absoluto, así como bajos valores de campo magnético crítico (Hc) y densidad de corriente críti= ca (Jc): y los superconductores de tipo II generalmente son aleaciones o metales en transición. Las bases de la superconductividad están sentad= as en la teoría Bardeen, Cooper y Schrieffer (Teoría BCS).
Keywords:= Superconductivity, temperature critical, electron, absolute zero		Abstr= act Introduction. The accelerated development achieved in society has given rise to the incessant search for feasible resources to avoid environmental pollution, it turns out that the materia= ls superconductors may be precise in the cause. Losing resistance can be many more effective and efficient, also allowing new branches of knowledge to expand. Objective: The objec= tive of this research is to make a compilation of the most important aspects general principles of superconductivity, a physical phenomenon that becom= es increasingly relevant to you in the search for ecological development. In addition, to lay the foundations for future research that can reveal the aspects that are not yet known in superconductivity. Methodology: To conduct the compendium of superconductivity, = the most general aspects of the subject and for this the bibliography related to the subject was consult= ed, consulting specialists in different subjects whose information w= as the basis to enrich this work. Result s: When a volumetric s= ample loses resistance to a certain tempe= rature critical (Tc) and in that same temperature the Meissner- Ochsenfeld effec= t is appreciated, we recognize it = (only then) as a superconductor. Su= perconducting materials possess a gain variability in their applications due to their o= wn characteristics. Conclusions: It is characteristic of each superconductor the loss the total loss of resistance at a certain temperature review. The Meissner-Ochsenfeld effect consists in that a sample expels a magnetic flow and, as a result, it flo= ats on a magnet, going into the superconducting state. There are two types of superconductors: Type I superconductors that are not the pure metals or elements that have a complete flow exclusion (Meissner effect) and have temperature values critical (Tc) clo= se to absolute zero, as well as low values of critical magnetic field (Ho and critical current density (Jc): and type II superconductors are alloys or transition metals. The bases of superconductivity are laid in the Bardeen, Coopery, Schrieffer theory (BCS Theory).

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Introducción

La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés K. Onnes que observó que el mercurio= no presentaba resistencia eléctrica por debajo de 4,2 k. El fenó= meno no se empezó a entender = hasta que los alemanes Karl W. Meissn= er y R. Ochsenfeld en 1933 detectaron un acusado diamagnetismo en un superconductor. No fue hasta 1957, a más= de 45 años de su descubrimiento que surgió una teoría cap= az de explicar los principios físicos de este fenómeno. John Bardeen, León N. Cooper y John R. Schrieffer (notables físicos estadounidenses) propusieron su teoría BCS que describe la superconductividad como un fenómeno cuántico en el que se desplazan en pares los electrones de conducción que no presentan resistencia eléctrica. La misma describe cómodamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no de este modo en los materiales cerámicos. El físico Brian Josephson, en 1962, estudio la naturaleza cuántica de la superconductividad y enunció la presencia de oscilaciones en la corriente eléctrica, fenómeno conocido como efecto de Josephson.

En el año 1986 algo tremendo, impresionante, inusitado sucedió. Simplemente el ayudante de Müller en ese laboratorio, Berdnoz, retornó esa tarde a = pesar de sus deseos de regresar a casa. Había dejado en función de = la temperatura la medición de la resistividad, de un compuesto de lanta= no. Este se llevó la increíble sorpresa de que aparecía la superconductividad a 30K. Así fue como Berdnoz y Müller descubrieron en<= span style=3D'letter-spacing:2.0pt'> el 1986 la nueva superconductividad de alta temperat= ura, por lo que fueron galardonados = con el Premio Nobel en el año = 1987. Posteriormente, Chu descubrió el YBCO con una temperatura crítica de alrededor de los 90K, abriendo el cam= ino para el descubrimiento de elementos de una mayor temperatura crítica= .

La incesante búsqueda de materiales que presenten propiedades superconductoras a temperatura ambiente y el avance de las aplicaciones en que se pueden utilizar, han provocado<= span style=3D'letter-spacing:2.55pt'> que estos

materiales sean el centro de atención de centros de investigación y laboratorios universitarios alrededor del mundo, ya sea en colaboraci&oacut= e;n o en competencia por el desarrollo tecnológico.

Hasta el momento, en Europa se trabaja en redes de investigación conformad= as por casi cien laboratorios universitarios en varios países, que pued= an beneficiarse unos a otros de los adelantos que dentro del campo se puedan lograr, un panorama parecido se encuentra en Estados Unidos y Japón.= Si hay tanta inversión en el desarrollo de estas áreas en países de alto crecimiento tecnológico, es porque se ha enten= dido la necesidad de encontrar nuevas fuentes de energía. Hay estimaciones que de utilizando los supercon= ductores en la generación y distribución de la energía, podría reducirse el consumo de una ciudad hasta un 20%. Esto signifi= ca no solo costos más bajos de producción, sino también u= na disminución en la generación de contaminantes producto del ac= tual sistema de generación de electricidad.

Metodología

Se hace un resumen de los principales conceptos y experimentos básicos = del tema para sentar las bases del entendimiento del tema en general. Además de realizar una explicació= n de las principales caracterís= ticas que poseen los materiales superconductores, así como, las aplicacion= es que se les dan a los mismos para resaltar su eficacia y eficiencia. Además de tocan temas que pueden despertar el interés en la población en general para la búsqueda de incógnitas que quedan abiertas hasta nuestros días.

Resultados

La superconductividad se manifiesta en sistemas de carácter metá= lico (en conjuntos que tienen estados activos en una banda de conducción)= . Se conocen un par de experimentos que reflejan la superconductividad en una muestra de volumen. En un inicio, podemos enunciar una característica común de cada superconductor: la pérdida total de resistencia a una cierta temperatura, que tiene el nombre de temperatura crítica (Tc). A continuaci&oa= cute;n, se observa el instante que pasa al e= stado superconductor, como resultado de una medida de la resistencia contra la temperatura (Figura 1).

Figura = 1

A una temperatura llamada crítica la resistencia de un superconductor va a cero

Fuente: Tomado de Vaquero Rafael (2014)

El segundo experimento es el que se aprecia es el efecto Meissner-Ochsenfeld que<= span style=3D'letter-spacing:-.05pt'> se basa en que

un imán flota sobre una muestra = a causa de que esta expulsa un flujo magnético, a1 pasar al estado superconductor. Est= a es una de las propiedades que han permitido la construcción de trenes q= ue literalmente flotan sobre las vías a1 no existir rozamiento. E= ste experimento se ilustra en la figura 2.=

Figura 2

El efecto Meissner-Ochsenfeld define la superconductividad junto con= la pérdida total de la resistencia

= Fuente:= Tomado = de Vaquero Rafael (2014)

Por lo antes expuesto se concluye que:

Reconoc= emos (solo entonces) como un superconductor, cuando se aprecie el efecto Meissne= r- Ochsenfeld, donde a una determinado Tc y en esa misma temperatura, una mues= tra volumétrica pierda la resistencia

Según Baquero (2014): “Es importante distinguir entre un conductor perfecto y un superconductor ya que, de acuer= do con las Ecuaciones de Maxwell, un conductor perfecto, si bien tiene resiste= ncia cero, es un sistema termodinámicamente metaestable y, por lo tanto, no se le puede apli= car las leyes de la termodiná= ;mica y de la estadística que requieren que el sistema esté o pueda llegar a un estado de equilibr= io termodinámico. Las ecuaciones de Maxwell relacionan el campo eléctrico y la conductividad de acuerdo con la Ley de Ohm. Un conductor perfecto tiene una conduc= tividad infinita y es fácil demostrar que esto implica una inducción magnética siempre constante. Un superconductor la tiene siempre, en = toda circunstancia, igual a cero. Se puede mostrar que este hecho implica que se trata de un sistema en equilibrio termodinámico. Un superconductor expulsa el flujo magnéti= co y constituye un diamagneto perfecto.&= #8221; Como se ilustra en la figura 3:

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Figura 3

Un superconductor excluye el flujo magnético se su volumen y constituye un diamagnético perfecto

Fuente:= Tomado = de Vaquero Rafael (2014)

Entre sus clasificaciones podemos encontrar: los superconductores de tipo I que no son los metales o elementos puros que presentan una exclusión de flujo completa (efecto Meissner) y que tiene valores de temperatura crítica (Tc) cercano= s al cero absoluto, así como bajos valores de campo magnético crítico (Hc) y densidad de corriente crítica (Jc); es decir, = son diamagnetos ideales siempre y c= uando no se rebase una determinada intensidad llamada punto crítico diferente a cada superconductor. = El material pierde sus cualidades<= span style=3D'letter-spacing:2.0pt'> superconductoras una vez que cualqui= era de las tres propiedades ha rebasado su valor crítico regresando a su estado normal. (Son nombrados superconductores ideales o suaves).

Los superconductores de tipo II generalmente son aleaciones o metales en transición, estos materiales pueden permitir= la introducción del campo magnético y simultáneamente seguir siendo superconductores. Los parámetros de temperatura, campo magnét= ico y densidad de la corriente críticos se presentan en dos etapas: por debajo del Hc el material se comportará como los superconductores de tipo I, pero a1 ir aumentando = la fuerza del campo, el flujo empieza a penetrar material en las líneas de flujo y a1 llegar = al segundo valor crítico perderá las propiedades superconductoras.

La razón por la que existe un estado mixto entre los superconductores de tipo I= I es la presencia de interfaces = entre la regiones normal y superconductora; esto se explica mejor de la siguiente= forma: una vez que el campo magnético se ha incrementado más all&aac= ute; del Hc el compuesto es atravesado por líneas de flujo, alrededor de = cada línea, pequeñas corrientes circularán como vórt= ices diminutos, entonces el centro de cada vórtice deja de ser superconductor; cada vórtice captura e introduce en el superconductor una línea de campo equivalente a la introducción de un cuanto= de flujo. Si las fuerzas del campo van aumentando, el tamaño de los vórtices no cambiará, pero el número de estos aumentará; cada vez serán más próximos hasta que fluyan uno junto al otro y la transición al estado normal ocurra. La= Jc en un superconductor de tipo I depende no solo del número de vórtices, sino también de la habilidad para moverse.

Como resultado de los diferentes comportamientos entre los superconductores de t= ipo I y II, se produce una levitación que se presenta de dos formas distinta: en el primer tipo al haber una completa excusión de flujo magnético, un imán puede permanecer levitando por sobre una muestra superconductora por efecto de la repulsión (efecto Meissner); mientras que el los del tipo II habrá dos formas de levitación: por efecto de la repulsi&oacu= te;n para mantener levitando encima un imán y uno de atracción, que pueda sostener un imán por debajo, permaneciendo en levitació= n al estar sujeto con las líneas de flujo.

Ahora = bien, se conoce que la Ley de Inducci&oa= cute;n Magnética describe en ge= neral la relación entre los campos magnéticos y eléctricos, y es sabido que una variación en el campo magnético induce una corriente; sin embargo, para que exista una corriente continua en un superconductor no es necesario = un campo eléctrico, y en una situación de equilibrio este sería igual a cero. Un conductor perfecto se caracteriza porque su campo electico interno desaparece y su campo magn&eac= ute;tico es constante. En los superconductores, el campo magnético disminuye hasta cero, de ahí son diamagnetos ideales.

La teoría cuántica de la superconductividad tuvo sentadas sus ba= ses en 1957 por Bardeen, Co- oper y Schrieffer. En secuencia se numeran los aspectos más generales de dicha teoría:

-Interacción electrón-fonón-electrón: Los ens= ayos reflejan que se encuentra una banda prohibida en los materiales superconductores justo alrededor del nivel de Fermi a T — 0 K, donde el ancho de esta es del orden de 3 kBTC. Debe existir un mecanismo pa= ra que los electrones de un super- conductor deban rebajar su energía para provocar el surgimiento de una= banda de energía prohibi- da. = Como es casi despreciable el ancho de la banda (10-4 eV), tendrá muy disminuida la interacción atractiva. La misma= es el resultado de una interacción atractiva entre la red y los electro= nes (según la teoría BCS) de la manera siguiente (Figura 4):

Figura = 4

Interac= ción atractiva entre la red y los electrones

-Pares de Cooper.’ <= /i>Un conj= unto conformado por dos electrones con contrario e igual cantidad de movimiento y spins y que constituyen un esta= do ligado por intercambio de fonón se denomina: par de= Cooper y se le representa (+k, -k); además, se comporta como un Bosón poseyendo un m= omento neto y spin igual a cero. Esto provoca que haya un estado energético único en el cero absoluto y pares de Cooper u ocupen igual estado energético todos los pares de electrones, denominado estado fundamen= tal BCS. Este estado posee tanto por encima como por debajo de la energí= a de Fermi (ef) mezclas de orbitales correspondiendo con el estado normal del material para T=3DTc. Únicamente sobre ef está un gran número de estados desocupados que deben hallarse para que los 2 electrones de un par ingresen en ellos una vez modificado su impulso median= te el inter- cambio de un fonón estableciendo la razón por la cual se necesita que los electrones estén por en- cima de ef para encontrarse libres de constituir pares= de Cooper. Por lo cual, concordando con la hipótesis ad hoc declarado p= or London y que daba lugar al efecto Meissner; solo una parte de los electrones ns» Eg/Ef formará pares de Cooper; permitiendo una mayor energía cinética e incremento energético en el estado = de BCS, compensándose con la disminución provocada por la interacción atractiva. La ocupación electrónica en dicho estado se realiza por pares.

En un superconductor, en los pares de Cooper, si se produce u= na corriente permite que el vector de onda neto “d” sean iguales ((k+d), (-k+d)), es decir, los pares que están formados por electrones pueden desplazarse conjuntamente. La energía requerida para separar un par de Cooper es re- presentada po= r la banda de energía prohibida (Eg), permitiendo que el estado esencial superconductor, menos una energía superior a la de la banda prohibida pueda soportar cualquier alteración o desarreglo. Una corriente eléctrica en el superconductor ocasiona un desplazamiento<= span style=3D'letter-spacing:-.1pt'> en los pares de Cooper explicando la= resistividad cero del superconductor. Ahora = bien, se precisa un cambio a un estado excitado por el quiebre del par de Cooper = del que es parte, en la separación de un electrón en la anomalía de la red, realizándose sin rozamiento o fricci&oacu= te;n en el desplazamiento antes expuesto, por lo que la dispersión de los electrones sea elementalmente inhibida al precisar de una energía superior que el ancho de banda prohibida.

-Longit= ud de coherencia: Este concepto reside en la idea de que la superconductividad es causa- da por la correlaci&oacut= e;n del comportamiento y la interacción mutua de los electrones, extendi= da a grandes separaciones; a la más grande se le co= noce como longitud de coherencia intrínseca, x0, en la cual los pares de electrones están vinculados para generar par= es de Cooper y superconductividad. Al ser una interacción de gran alcan= ce, los pares de electrones pueden distanciarse repetidos miles de espaciados atómicos.

Se le nombra volumen de coherencia (x,) a la correlación de electrones contenidos en un volumen x, ^3 de las que = se desprenden las propiedades de un superconductor. En la que la transición es extremadamente abrupta con un rango de l0^-3 K o menor puesto que los electrones en un volumen trabajan íntegros en el estado superconductor de una manera asociati= va.

Ante los conocimientos que se adquieren en la actualidad tomando base de los gra= ndes aportes y descubrimientos que se produjeron en los pasados siglos se hace creciente el auge de la búsqueda de aplicaciones basadas en las propiedades de materiales que puedan llamarse superconductores. Todo por ev= itar la caída libre que ha alcanzado el bienestar de nuestro planeta.

Es de interés destacar las propiedades que se piden para que un superconductor sea comerciable:

•         La superconductividad es presentada en sistemas que tienen estados ocupados en una banda de conducción, o sea, en sistem= as de carácter metálico.

·         Existen dos experimentos que definen la superconductividad en una muestra de volumen. Primeramente, podemos mencionar la pérdida total de resistencia a una cierta temperatura que es característica de cada superconductor y que tiene= el nombre de temperatura crítica: el segundo es el que se aprecia es el efecto Meissner-Ochsenfeld, que consiste en que una muestra expulsa un flujo magnético y, como resultado, flota sobre un imán, al pasar al estado superconductor.

·         Un conductor perfecto se caracteriza porque su cam= po electico interno desaparece y su campo magnético es constante. En los superconductores, el campo magnético disminuye hasta cero, de ah&iac= ute; son diamagnetos ideales.

·         Los materiales superconductores son un innovador catalizador en el impulso al desarrollo además de reducir los efector de la contaminación<= span style=3D'letter-spacing:2.0pt'> ambiental llegando a ser unos de los más priorizados en la actualidad.<= o:p>

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