El bombeo de flujo es un método para magnetizar superconductores a campos de más de 15 teslas . [ cita requerida ] El método se puede aplicar a cualquier superconductor tipo II y explota una propiedad fundamental de los superconductores, a saber, su capacidad para soportar y mantener corrientes en la escala de longitud del superconductor . Los materiales magnéticos convencionales están magnetizados a escala molecular, lo que significa que los superconductores pueden mantener una densidad de flujo de órdenes de magnitud mayor que la de los materiales convencionales. El bombeo de flujo es especialmente significativo cuando se tiene en cuenta que todos los demás métodos de magnetización de superconductoresrequieren la aplicación de una densidad de flujo magnético al menos tan alta como el campo final requerido. Esto no es cierto para el bombeo de flujo.
Una corriente eléctrica que fluye en un bucle de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. En un conductor normal, una corriente eléctrica puede visualizarse como un fluido de electrones moviéndose a través de una red iónica pesada . Los electrones chocan constantemente con los iones en la red y, durante cada colisión, parte de la energía transportada por la corriente es absorbida por la red y se convierte en calor , que es esencialmente la energía cinética vibratoria de los iones de la red. Como resultado, la energía transportada por la corriente se disipa constantemente. Este es el fenómeno de la resistencia eléctrica .
La situación es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, el fluido electrónico no se puede descomponer en electrones individuales. En cambio, consiste en pares de electrones ligados conocidos como pares de Cooper . Este emparejamiento es causado por una fuerza de atracción entre electrones proveniente del intercambio de fonones . Debido a la mecánica cuántica , el espectro de energía de este fluido de pares de Cooper posee una brecha de energía , lo que significa que hay una cantidad mínima de energía Δ E que debe suministrarse para excitar el fluido. Por lo tanto, si Δ E es mayor que la energía térmica de la red, dada por kT , donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura , el fluido no será dispersado por la red. El fluido del par de Cooper es, por tanto, un superfluido , lo que significa que puede fluir sin disipación de energía.
En una clase de superconductores conocidos como superconductores de tipo II , incluidos todos los superconductores conocidos de alta temperatura , aparece una cantidad extremadamente pequeña de resistividad a temperaturas no muy por debajo de la transición superconductora nominal cuando se aplica una corriente eléctrica junto con un fuerte campo magnético. que puede ser causado por la corriente eléctrica. Esto se debe al movimiento de los vórtices en el superfluido electrónico, que disipa parte de la energía transportada por la corriente. Si la corriente es lo suficientemente pequeña, entonces los vórtices están estacionarios y la resistividad desaparece. La resistencia debida a este efecto es mínima en comparación con la de los materiales no superconductores, pero debe tenerse en cuenta en experimentos sensibles.
Introducción
En el método descrito aquí, un campo magnético atraviesa el superconductor en una onda magnética. Este campo induce corriente de acuerdo con la ley de inducción de Faraday . Mientras la dirección de movimiento de la onda magnética sea constante, la corriente inducida será siempre en el mismo sentido y las ondas sucesivas inducirán cada vez más corriente .
Tradicionalmente, la onda magnética se generaría moviendo físicamente un imán o mediante una disposición de bobinas conmutadas en secuencia, como ocurre en el estator de un motor trifásico. El bombeo de flujo es un método de estado sólido en el que un material que cambia de estado magnético a una temperatura de orden magnética adecuada se calienta en su borde y la onda térmica resultante produce una onda magnética que luego magnetiza el superconductor . Una bomba de flujo superconductora no debe confundirse con una bomba de flujo clásica como se describe en la revisión de Van Klundert et al. [1] .
El método descrito aquí tiene dos características únicas:
- En ningún momento el superconductor es normal; el procedimiento simplemente realiza modificaciones al estado crítico.
- El estado crítico no es modificado por un imán en movimiento o una serie de solenoides , sino por un pulso térmico que modifica la magnetización, arrastrando así los vórtices hacia el material.
El sistema, como se describe, es en realidad un nuevo tipo de motor térmico en el que la energía térmica se convierte en energía magnética .
Fondo
Efecto Meissner
Cuando un superconductor se coloca en un campo magnético externo débil H , el campo penetra en el superconductor solo una pequeña distancia λ , llamada profundidad de penetración de London , y decae exponencialmente a cero dentro del interior del material. Esto se llama efecto Meissner y es una característica definitoria de la superconductividad. Para la mayoría de los superconductores, la profundidad de penetración de Londres es del orden de 100 nm.
El efecto Meissner a veces se confunde con el tipo de diamagnetismo que uno esperaría en un conductor eléctrico perfecto: de acuerdo con la ley de Lenz , cuando se aplica un campo magnético cambiante a un conductor, inducirá una corriente eléctrica en el conductor que crea un campo magnético opuesto. campo. En un conductor perfecto, se puede inducir una corriente arbitrariamente grande y el campo magnético resultante cancela exactamente el campo aplicado.
El efecto Meissner es distinto de esto porque un superconductor expulsa todos los campos magnéticos, no solo los que están cambiando. Supongamos que tenemos un material en su estado normal, que contiene un campo magnético interno constante. Cuando el material se enfría por debajo de la temperatura crítica, observaríamos la expulsión abrupta del campo magnético interno, lo que no esperaríamos según la ley de Lenz.
El efecto Meissner fue explicado por los hermanos Fritz y Heinz London , quienes demostraron que la energía libre electromagnética en un superconductor se minimiza siempre que
donde H es el campo magnético y λ es la profundidad de penetración de Londres.
Esta ecuación, que se conoce como la ecuación de Londres , predice que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente de cualquier valor que posea en la superficie.
En 1962, investigadores de Westinghouse desarrollaron el primer alambre superconductor comercial, una aleación de niobio - titanio , que permitió la construcción de los primeros imanes superconductores prácticos . Ese mismo año, Josephson hizo la importante predicción teórica de que una supercorriente puede fluir entre dos piezas de superconductor separadas por una fina capa de aislante. [2] Este fenómeno, ahora llamado efecto Josephson , es explotado por dispositivos superconductores como los SQUID . Se utiliza en las mediciones disponibles más precisas del cuanto de flujo magnético. , y por lo tanto (junto con la resistividad cuántica de Hall ) para la constante h de Planck . Josephson recibió el Premio Nobel por este trabajo en 1973.
Ley de potencia E – J
El modelo más popular utilizado para describir la superconductividad incluye el modelo de estado crítico de Bean y variaciones como el modelo de Kim-Anderson. Sin embargo, el modelo de Bean supone una resistividad cero y que la corriente siempre se induce en la corriente crítica. Un modelo más útil para aplicaciones de ingeniería es la llamada ley de potencia E – J, en la que el campo y la corriente están vinculados por las siguientes ecuaciones:
En estas ecuaciones, si n = 1, entonces el conductor tiene resistividad lineal como la que se encuentra en el cobre . Cuanto mayor sea el valor n, más nos acercaremos al modelo de estado crítico. Además, cuanto mayor sea el valor n, entonces "mejor" será el superconductor, ya que menor será la resistividad a una determinada corriente. La ley de potencia E – J se puede utilizar para describir el fenómeno de fluencia de flujo en el que un superconductor pierde gradualmente su magnetización con el tiempo. Este proceso es logarítmico y, por lo tanto, se vuelve cada vez más lento y, en última instancia, conduce a campos muy estables.
Teoría
El potencial de las bobinas superconductoras y los dominios individuales YBCO procesados por fusión a granel para mantener campos magnéticos significativos a temperaturas criogénicas los hace particularmente atractivos para una variedad de aplicaciones de ingeniería, incluidos imanes superconductores , cojinetes magnéticos y motores. Ya se ha demostrado que se pueden obtener grandes campos en muestras a granel de un solo dominio a 77 K. Existe una gama de posibles aplicaciones en el diseño de motores eléctricos de alta densidad de potencia.
Antes de que se puedan crear estos dispositivos, es necesario superar un problema importante. Aunque todos estos dispositivos utilizan un superconductor en el papel de un imán permanente y aunque el superconductor puede atrapar campos magnéticos potencialmente enormes (mayores de 10 T), el problema es la inducción de los campos magnéticos, esto se aplica tanto a la masa como a Bobinas operando en modo persistente. Hay cuatro posibles métodos conocidos:
- Refrigeración en campo;
- Enfriamiento de campo cero, seguido de campo aplicado lentamente;
- Magnetización de pulsos;
- Bombeo de flujo;
Cualquiera de estos métodos podría usarse para magnetizar el superconductor y esto puede hacerse in situ o ex situ. Idealmente, los superconductores se magnetizan in situ.
Hay varias razones para esto: primero, si los superconductores se desmagnetizan a través de (i) fluencia de flujo, (ii) campos perpendiculares aplicados repetidamente o (iii) por pérdida de enfriamiento, entonces pueden volver a magnetizarse sin la necesidad de desmontar el máquina. En segundo lugar, existen dificultades para manipular material muy fuertemente magnetizado a temperaturas criogénicas al ensamblar la máquina. En tercer lugar, los métodos ex situ requerirían que la máquina se ensamblara tanto en frío como premagnetizada y ofrecerían importantes dificultades de diseño. Hasta que se puedan preparar superconductores a temperatura ambiente, el diseño más eficiente de la máquina será, por lo tanto, uno en el que se incluya un dispositivo de magnetización in situ.
Los tres primeros métodos requieren todos un solenoide que se puede encender y apagar. En el primer método se requiere un campo magnético aplicado igual al campo magnético requerido, mientras que los enfoques segundo y tercero requieren campos al menos dos veces mayores. Sin embargo, el método final ofrece ventajas significativas, ya que logra el campo final requerido mediante aplicaciones repetidas de un campo pequeño y puede utilizar un imán permanente.
Si deseamos pulsar un campo usando, digamos, un imán de 10 T para magnetizar una muestra de 30 mm × 10 mm, entonces podemos calcular qué tan grande debe ser el solenoide. Si fuera posible enrollar una bobina apropiada usando cinta YBCO , entonces, asumiendo un I c de 70 A y un espesor de 100 μm, tendríamos 100 vueltas y 7 000 A vueltas. Esto produciría un campo B de aproximadamente 7 000 / (20 × 10 −3 ) × 4π × 10 −7 = 0,4 T. ¡Para producir 10 T sería necesario pulsar hasta 1 400 A! Un cálculo alternativo sería asumir un J c de digamos 5 × 10 8 Am −1 y una bobina de 1 cm 2 en sección transversal. El campo sería entonces 5 × 10 8 × 10 −2 × (2 × 4π × 10 −7 ) = 10 T. Claramente, si el dispositivo de magnetización no ocupa más espacio que el propio disco, entonces una corriente de activación muy alta sería requerido y cualquiera de las limitaciones hace que la magnetización in situ sea una propuesta muy difícil. Lo que se requiere para la magnetización in situ es un método de magnetización en el que se utiliza un campo relativamente pequeño del orden de militeslas aplicado repetidamente para magnetizar el superconductor .
Aplicaciones
Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más poderosos que se conocen. Se utilizan en IRM y RMN máquinas, Espectrómetros de masa , magnetohidrodinámica de generación de energía e imanes de guía de haces usados en los aceleradores de partículas . También se pueden utilizar para la separación magnética , donde las partículas débilmente magnéticas se extraen de un fondo de partículas menos magnéticas o no magnéticas, como en las industrias de los pigmentos .
Están surgiendo otros mercados tempranos en los que la eficiencia relativa, las ventajas de tamaño y peso de los dispositivos basados en HTS superan los costos adicionales involucrados.
Prometedoras aplicaciones futuras incluyen alto rendimiento transformadores , dispositivos de almacenamiento de energía , la transmisión de energía eléctrica , los motores eléctricos (por ejemplo, para la propulsión del vehículo, como en vactrains o trenes de levitación magnética ), dispositivos de levitación magnética , y limitadores de corriente .
Referencias
- ^ LJM van de Klundert; et al. (1981). "Sobre rectificadores y bombas de flujo totalmente conductores. Una revisión. Parte 2: Modos de conmutación, características e interruptores". Criogenia : 267–277.
- ^ BD Josephson (1962). "Posibles nuevos efectos en tunelización superconductora". Phys. Lett . 1 (7): 251-253. Código Bibliográfico : 1962PhL ..... 1..251J . doi : 10.1016 / 0031-9163 (62) 91369-0 .
Fuentes
- Coombs, Timothy (2008). "Superconductores la próxima generación de imanes permanentes" (PDF) . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - Qiuliang Wang et al., "Estudio de bombas de flujo de tipo rectificador superconductor de onda completa", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 32, núm. 4, págs. 2699-2702, julio de 1996.
- Coombs, Timothy (2007). "Un motor térmico novedoso para magnetizar superconductores" (PDF) . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - Coombs, Timothy ; Hong, Z; Zhu, X (2007). "Una bomba de flujo superconductor accionada térmicamente". Physica C: superconductividad . 468 (3): 153. Código bibliográfico : 2008PhyC..468..153C . doi : 10.1016 / j.physc.2007.11.003 .[ enlace muerto ]
- LJM van de Klundert et al., "Sobre rectificadores y bombas de flujo totalmente conductores. Una revisión. Parte 2: Modos de conmutación, características e interruptores", Cryogenics, págs. 267–277, mayo de 1981.
- LJM van de Klundert et al., "Rectificadores y bombas de flujo totalmente superconductores Parte 1: Métodos realizados para bombear flujo", Cryogenics, págs. 195-206, abril de 1981.
- Kleinert, Hagen , Gauge Fields in Condensed Matter , vol. YO, " LÍNEAS SUPERFLOW Y VORTEX "; Disorder Fields , Phase Transitions , págs. 1-742, World Scientific (Singapur, 1989) ; Libro de bolsillo ISBN 9971-5-0210-0 (también disponible en línea: Vol. I )
- Larkin, Anatoly ; Varlamov, Andrei, Teoría de las fluctuaciones en los superconductores , Oxford University Press, Oxford, Reino Unido, 2005 ( ISBN 0-19-852815-9 )
- AG Lebed (Ed.) (2008). La física de los superconductores y conductores orgánicos (1ª ed.). Serie Springer en Ciencia de Materiales, Vol. 110. ISBN 9783540766728.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
- Tinkham, Michael (2004). Introducción a la superconductividad (2ª ed.). Libros de Dover sobre física. ISBN 0-486-43503-2.
- Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Física moderna (4ª ed.). WH Freeman . ISBN 0-7167-4345-0.
enlaces externos
- Publicaciones recientes