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§14. Algunas propiedades de los superconductores

La propiedad más conocida y, por lo visto y la más valiosa de los superconductores es su resistencia eléctrica nula a la corriente continua.

A decir verdad, establecer por medio de un experimento que la resistencia es nula es imposible, sólo se puede hablar de que la resistencia del superconductor no supera cierto valor, determinado por la precisión de las mediciones. En la actualidad se toma por límite superior de la resistencia eléctrica específica del superconductor el valor de 3 ´ 10 ^-23 W ´ cm ¹ . Partiendo de esa cifra, se puede calcular que la corriente excitada en un circuito superconductor, disminuirá en un valor que puede observarse en un experimento que dure 100 mil años, como mínimo. Ahora está claro por qué en uno de los experimentos realizados en el período de marzo de 1954 a septiembre de 1956, los investigadores no pudieron notar el menor indicio de amortiguamiento de la corriente en un anillo de plomo superconductor. Hay datos también sobre un experimento que duró diez años con el mismo resultado.

Sin embargo, al investigar el amortiguamiento del flujo magnético dentro de un tubo de niobio y circonio (el 25% de circonio) se descubrió que, pese a todo, el flujo se amortiguaba. Ese amortiguamiento se produce con arreglo a la ley logarítmica: en el primer segundo el flujo disminuye en 1 %, en los 10 s subsiguientes, en 1 % más, etc. El flujo se amortiguará por completo en ese tubo (es decir, disminuirá hasta el valor que ya no se podrá medir con instrumentos modernos) en 10 ⁹² años. Los resultados de tales experimentos, sin embargo, se deben aceptar con circunspección. Se sabe que cualquier anillo que crea un campo magnético está sometido a la acción de fuerzas que tienden a aumentar sus dimensiones, es decir, simplemente a romperlo. El aumento del diámetro del anillo aunque sea en una millonésima parte se manifestará enseguida en la disminución del campo, que puede atribuirse a que en el superconductor existe resistencia eléctrica.

Si la primera propiedad fundamental de los superconductores, la falta de la resistencia fue descubierta en 1911, la segunda propiedad importantísima, solamente pasados 22 años. En 1933 el físico alemán Meissner descubrió que los superconductores eran materiales diamagnéticos ideales. ¿Qué significa esto?

Nosotros, por ejemplo, nos hallamos constantemente en el campo geomagnético. Las líneas de fuerza de este campo atraviesan todos los objetos y seres en la Tierra. Si las líneas de fuerza tropiezan con un material ferromagnético, por ejemplo, un pedazo de hierro, en éste las líneas de fuerza parecen densificarse. Si tropiezan con un material diamagnético, en éste, por el contrario, se crea un enrarecimiento, un vacío de líneas de fuerza. En el superconductor, las líneas de fuerza no penetran en absoluto. Con otras palabras, el superconductor es absolutamente diamagnético. El interior del superconductor está apantallado en forma ideal contra los campos magnéticos exteriores (el efecto de Meissner) por medio de las corrientes que circulan en la fina capa superficial del superconductor. En esta capa penetra también el campo magnético, debido a lo cual la profundidad de esa capa se denomina profundidad de penetración y se designa por l . El diamagnetismo de los superconductores puede aprovecharse, por ejemplo para atribuir a las líneas de fuerza del campo magnético la configuración dada. El campo contorneará el superconductor, mientras que las líneas de fuerza adquirirán la configuración que reproduce el contorno del superconductor.

El superconductor difiere sustancialmente de un conductor ideal con resistencia r = 0. En un conductor ideal puede penetrar el campo, en cambio de ningún modo se puede obligar al campo magnético a penetrar en un superconductor. Aunque sí, existe un método: al alcanzar la intensidad del campo magnético en algún punto del superconductor una magnitud que supere cierto valor crítico, en ese punto el superconductor pierde la superconductividad. Los campos magnéticos críticos de los metales puros son débiles; no superan centenas de Oersted, lo que puede verse en la tabla 2.

La corriente que pasa por el superconductor también puede provocar la pérdida de la superconductividad. La magnitud de esa corriente en los superconductores puros está relacionada con el campo magnético crítico por la regla de Silsbee: la superconductividad se anula por tal valor de la corriente en el conductor, que crea en la superficie del superconductor un campo igual al crítico. La magnitud del campo en la superficie del conductor se puede determinar con arreglo a la ley de la corriente total.

Cada superconductor tiene, además, su propia temperatura crítica ( T _c ), es decir, pasando la cual pierde a salto sus propiedades de superconductor. Estas temperaturas son muy variables.

Sobre la temperatura crítica influyen, aunque débilmente, las tensiones mecánicas en la probeta. Como regla (mas no siempre), el aumento de las tensiones mecánicas en la probeta acarrea la elevación de la temperatura crítica y únicamente los métodos muy sensibles permiten establecerlo.

Una dependencia análoga existe entre las tensiones mecánicas y el campo magnético crítico. Se demostró, en particular, que el campo crítico de una probeta de estaño, que a temperatura de 2°K es de 210 Oe, después de haber creado artificialmente en el estaño fuertes tensiones mecánicas, aumentó hasta 15 mil Oe.

La reducción de las dimensiones de la probeta ensayada hasta un micrón, aproximadamente, provoca un cambio sustancial de las propiedades del superconductor. Tal probeta no será ya diamagnética, en tanto que su campo crítico y la corriente aumentarán notoriamente.

Reduciendo el espesor de la muestra, se puede aumentar centenares de veces su campo crítico. Una película de plomo superconductora de 20 Å de espesor tendrá un campo crítico igual a 400 mil Oe.

Aumentará también sustancialmente la densidad de la corriente crítica en las películas superconductoras finas, llegando en las capas de espesor del orden de 100 Å, a 10 ⁷ – 10 ⁸ A/cm ² .

Al aumentar la frecuencia del campo magnético o la corriente, el superconductor empieza a adquirir gradualmente resistencia. Sin embargo, a frecuencias hasta 10 ⁷ Hz inclusive, prácticamente, todavía es igual a cero.

El físico norteamericano Pippert determinó en 1950 que para el estaño, la banda de frecuencias críticas se halla dentro del marco de (1,2 - 9,4) ´ 10 ⁹ Hz.

Según el joven científico norteamericano Cooper, en el estado de superconductividad, los electrones forman pares. La formación de esos pares se hace posible en el caso de que la interacción entre los electrones de conducción de los spines antiparalelos (a grosso modo, los que giran en diferentes sentidos) y la red ² conduce a que entre ellos surjan fuerzas de atracción que superan las de repulsión eléctrica.

El tamaño de los pares de Cooper es bastante grande; es mayor que la profundidad de penetración en los superconductores puros y algo menor, en las aleaciones.

A base de la suposición de Cooper fueron elaboradas la teoría de superconductividad BCSch, denominada con las letras iniciales de los apellidos de sus autores Bardeen, Cooper y Schrieffer, y la teoría de N. Bogoliúbov.

Para fisionar los pares de Cooper se debe consumir cierta energía, debido a lo cual la energía de los electrones superconductores es algo menor que la de los electrones normales. Esa diferencia se denomina banda prohibida o laguna.

Los superconductores puros (a excepción del niobio) pertenecen a los superconductores del 1 ^er tipo (grupo).

La mayoría de los superconductores, se han descubierto ya cerca de un mil, pertenecen a los superconductores de 2 ^do tipo. El término "superconductores de 2 ^do tipo" fue introducido en 1952 por el científico soviético A. Abrikósov, quien desarrolló la teoría de superconductividad de Guínsburg - Landáu. El término resultó indispensable para determinar los superconductores con energía superficial negativa como contrapeso a los de 1 ^er tipo, la energía superficial de los cuales en el límite de las fases superconductora y normal es positiva. La energía superficial negativa puede tener lugar en el caso de que el llamado parámetro de Guínsburg – Landáu

Los superconductores con son en su mayoría diferentes aleaciones superconductoras. De la teoría GLAG (V. Guínsburg - L. Landáu - A. Abrikósov - L. Gorkov) se deduce que los campos y las temperaturas críticas de los superconductores de 2 ^do tipo deben ser muy elevados. El descubrimiento por Kunzler en 1961 de la superconductividad de la Nb ₃ Sn en un campo de 88 mil Oe confirmó brillantemente esa conclusión de la teoría. Más tarde se aclaró que los campos críticos de muchas aleaciones (por ejemplo, de Nb ₃ Sn, V ₃ Ga y otras) superaban los 200-250 mil Oe. Estos superconductores, en comparación con los de 1 ^er tipo, poseen campos y temperaturas críticos más altos. Es posible que en un futuro próximo se descubran superconductores con propiedades superconductoras mejores aún. Sin embargo, los físicos teóricos consideran que las propiedades de los superconductores tienen un límite. Así, el límite de la temperatura crítica se considera hoy día 40°K. Esa limitación corresponde al tipo de superconductividad que se conoce actualmente, en la cual la formación de un par de electrones capaz de atravesar la red sin rozamiento, está determinada por el campo de oscilaciones de la red. En este campo, un electrón emite un cuanto de oscilación, mientras que el otro, lo absorbe, debido a lo cual no se registran pérdidas de energía, y la resistencia eléctrica es nula.

Si el mecanismo de la superconductividad fuese distinto, se podría obtener temperaturas críticas más altas. Así, en la prensa norteamericana se discutió la posibilidad de la existencia de la superconductividad en los polímeros lineales hasta la temperatura crítica de 1000°K inclusive.

Las propiedades de los superconductores de 1 ^er y 2 ^do tipos difieren notoriamente; por ejemplo, la transición al estado de superconductividad de los superconductores de 2 ^do tipo transcurre muy paulatinamente en amplia gama de valores del campo magnético. El superconductor de 1 ^er tipo es fácil convertir en el de 2 ^do tipo, introduciendo en él algunos átomos ajenos (bastan unos cuantos por ciento) o alterando por algún procedimiento, por ejemplo, mediante la acción mecánica, su red cristalina. La conclusión es algo paradójica: ¡cuánto peor es la red tanto mayor es la corriente crítica del superconductor!

Con arreglo a la teoría GLAG, las aleaciones deben tener no un campo crítico, sino dos. H _c1 es la magnitud de la intensidad del campo magnético por debajo del cual el superconductor queda absolutamente diamagnético. Al seguir aumentando la intensidad, el campo magnético empieza a penetrar en el superconductor en forma de hilos finos, paralelos al campo exterior, que contienen un cuanto de flujo magnético.

En el campo H _c2 , el superconductor no representa ya un obstáculo para las líneas magnéticas de fuerza. El campo H _c2 se puede aumentar, elevando la concentración de los defectos en el superconductor. En los superconductores de 2 ^do tipo muy uniformes, la histéresis (el lazo en la curva de imanación), según la teoría, no existe.

No obstante, para las aleaciones compuestas de grandes sectores con distinta concentración de defectos (de distinta composición), las correlaciones de la teoría GLAG no se observan, y ellas poseen una histéresis bien acentuada. Tales aleaciones superconductoras se denominan, a veces, superconductores de 3r tipo.

Las heterogeneidades de las aleaciones determinan, en sumo grado, su corriente crítica y no influyen en absoluto en el valor H _c2 .

Dado que los superconductores de 2 ^do tipo son penetrables para los campos magnéticos y poseen, siendo su composición heterogénea, la histéresis, su alimentación con corriente alterna o su colocación en un campo magnético alternativo provoca pérdidas. Se ha demostrado que la magnitud de esas pérdidas, a frecuencia de 50 Hz, para una aleación de niobio y circonio (25% de circonio) llega a 0,3 kw, si por el superconductor de 1 m de largo pasa una corriente de 10 kA. Es posible disminuir considerablemente estas pérdidas, reduciendo las dimensiones del superconductor, por ejemplo, separándolo en hilos finos o empotrándolo a presión en un material poroso.

Tales superconductores "sintéticos" poseen dos ventajas por lo menos: la primera, al disminuir las dimensiones del superconductor mejora sus propiedades de superconductividad; la segunda, disminuyen las pérdidas por corrientes de Foucault en las partes no superconductoras del superconductor sintético.