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Superconductor

¿Qué es un superconductor?

Un superconductor es un material capaz de conducir corriente eléctrica sin resistencia. Pero los superconductores no solo son conductores extraordinarios, sino también diamagnetos perfectos.
Un diamagneto desplaza un campo magnético y lo debilita en su interior. Un superconductor puede debilitar completamente el campo magnético y desplazarlo del interior. Las líneas de campo rodean completamente el superconductor. La contraparte a los diamagnetos son los paramagnetos y los ferromagnetos, los cuales refuerzan un campo magnético externo.
Índice
La superconductividad es probablemente uno de los descubrimientos más apasionantes de la física moderna. Ya resulta muy fascinante que un material no tenga resistencia eléctrica. No obstante, son las imágenes que muestran cómo un superconductor flota sobre el polo de un imán permanente o viceversa las que se han hecho famosas en todo el mundo.

La ilustración muestra esquemáticamente una imagen que suele aparecer en la prensa: un imán pequeño flota sobre un disco superconductor (negro).
La ilustración muestra esquemáticamente una imagen que suele aparecer en la prensa: un imán pequeño flota sobre un disco superconductor (negro).
Muchos materiales se convierten en superconductores a temperaturas muy bajas. El plomo ordinario, p. ej., se vuelve superconductor a las temperaturas del helio líquido (4 K aprox. -270°C). Estas temperaturas extremadamente bajas aumentan la fascinación por la superconductividad. En la actualidad, se investigan superconductores de alta temperatura. Sin embargo, los materiales encontrados siguen requiriendo temperaturas muy bajas. Los materiales cerámicos con propiedades especiales se vuelven superconductores a unos -100°C. Sin embargo, se sigue necesitando un enfriamiento extremo, p. ej., con nitrógeno líquido.

Cualquiera que haya intentado alguna vez hacer levitar un imán permanente sujetándolo con un polo sobre el polo homónimo de un imán en horizontal (p. ej., polo norte contra polo norte) sabe lo difícil que es, si no imposible. Un superconductor, en cambio, levita establemente en el campo magnético, a pesar de que no sea un imán propiamente dicho. Si el superconductor entra en contacto con un ferromagneto (por ejemplo, hierro), no se detecta ninguna fuerza magnética.

¿Por qué flota un superconductor en un campo magnético?

La causa de las fuerzas magnéticas repulsivas entre un superconductor y un campo magnético es el diamagnetismo del primero.

Muchos materiales son diamagnéticos; el agua también lo es. Los diamagnetos no poseen imanes elementales como los paramagnetos o ferromagnetos, los cuales pueden alinearse en un campo magnético externo. Sin embargo, se produce un efecto de inducción cuando se introduce un diamagneto en un campo magnético externo.

Se induce una corriente en el material, lo que genera un momento magnético que, según la ley de Lenz se dirige en dirección opuesta al campo magnético externo. Así se genera una fuerza repulsiva débil. Con campos magnéticos extremadamente fuertes, se ha conseguido incluso que una rana, en cuanto criatura acuática, flote.

Por tanto, un diamagneto (p. ej., el agua) se ve repelido cuando se introduce en un campo magnético, si bien muy débilmente. La fuerza de repulsión entre los campos magnéticos y las materias diamagnéticas solo es fuerte en los superconductores, por lo que también se conocen como «diamagnetos perfectos». Presentan una magnetización que desplaza completamente la densidad de flujo magnético en el interior del superconductor. El superconductor flota ya sobre un imán relativamente débil debido al efecto diamagnético repulsivo.

Permeabilidad magnética de los superconductores

Para describir la intensidad de la magnetización, se introduce la permeabilidad μ.

La magnetización M se genera en un campo magnético externo H0. El campo magnético total H en presencia de la materia se obtiene multiplicando el campo magnético externo H0 por la permeabilidad μ: H= μ•H0.

Este campo magnético es la suma del campo magnético externo H0 y la magnetización M del material:

H=M+H0.

Por tanto, para la magnetización se aplica lo siguiente: M=H-H0=μ•H0-H0=(μ-1)•H0.

El factor (μ-1) también se denomina «susceptibilidad magnética» χ y se deriva M=χ•H0. Los materiales para y ferromagnéticos tienen una permeabilidad superior a 1. Por tanto, la susceptibilidad magnética es mayor que cero. La permeabilidad de los materiales diamagnéticos es ligeramente inferior a 1; la susceptibilidad es correspondientemente inferior a cero. En el caso de un superconductor, la permeabilidad magnética es μ=0 y la susceptibilidad χ=-1. De esta manera, el flujo magnético ya no penetra en el superconductor. También podemos imaginárnoslo como que la magnetización de los superconductores es igual al campo externo incidente, solo que en sentido opuesto. Así pues, el campo externo se compensa en el superconductor.

En consecuencia, un superconductor no posee permeabilidad para la densidad de flujo magnético. Presenta una resistencia magnética infinitamente grande. El superconductor desplaza completamente el flujo magnético de su interior.

La figura muestra el curso de las líneas del campo magnético H en presencia de un material para o ferromagnético (μ =2,χ=1) (izda.) y de un superconductor (μ =0, χ =-1) (dcha.). El campo incidente original se muestra como una flecha azul y la magnetización como una flecha roja. En un material ferromagnético, la magnetización es positiva y, por tanto, está alineada con el campo original. Este es siempre el caso si χ > 0, es decir, el material «absorbe» el campo magnético en la misma dirección y, por tanto, lo amplifica. En cambio, en un diamagneto la magnetización se dirige en sentido contrario al campo incidente. El campo absorbido es negativo y, por tanto, χ < 0. Mientras que la amplificación positiva del campo puede ser incluso muchas veces mayor que el campo incidente, la atenuación negativa solo es posible hasta que el campo se compensa completamente. Esta compensación completa se da en los superconductores. En el superconductor se aplica χ = -1; es decir, μ = 0. En consecuencia, el superconductor no deja pasar ningún campo. Por ello, un superconductor es un «diamagneto perfecto».
La figura muestra el curso de las líneas del campo magnético H en presencia de un material para o ferromagnético (μ =2,χ=1) (izda.) y de un superconductor (μ =0, χ =-1) (dcha.). El campo incidente original se muestra como una flecha azul y la magnetización como una flecha roja.
En un material ferromagnético, la magnetización es positiva y, por tanto, está alineada con el campo original. Este es siempre el caso si χ > 0, es decir, el material «absorbe» el campo magnético en la misma dirección y, por tanto, lo amplifica.
En cambio, en un diamagneto la magnetización se dirige en sentido contrario al campo incidente. El campo absorbido es negativo y, por tanto, χ < 0.
Mientras que la amplificación positiva del campo puede ser incluso muchas veces mayor que el campo incidente, la atenuación negativa solo es posible hasta que el campo se compensa completamente. Esta compensación completa se da en los superconductores. En el superconductor se aplica χ = -1; es decir, μ = 0. En consecuencia, el superconductor no deja pasar ningún campo. Por ello, un superconductor es un «diamagneto perfecto».
Nuestras aplicaciones magnéticas con superconductores muestran proyectos apasionantes.


Retrato del Dr. Franz-Josef Schmitt
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

El Dr. Franz-Josef Schmitt es físico y director científico del Curso Práctico Avanzado de Física de la Universidad Martin Luther Halle-Wittenberg. Trabajó en la Universidad Técnica entre 2011 y 2019 y dirigió varios proyectos docentes y el laboratorio de proyectos de Química. Su investigación se centra en la espectroscopia de fluorescencia con resolución temporal en macromoléculas biológicamente activas. Asimismo, es director general de la empresa Sensoik Technologies GmbH.

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