Treball de RecercaI N S E u r o p a

SUPERCONDUCTIVITAT

Krunal Badsiwal2n Batxillerat 2014/15Tutor: Andrés Fernández

Resum

Encara que sigui un fenomen poc conegut, la superconductivitat pot arribar a tenir

un elevat grau d’importància en el futur, i de fet, ja s’utilitza en molts àmbits en els

quals desconeixem el seu ús. És aquesta la raó que em va portar a fer recerca de

la superconductivitat, primer realitzant una part d’estudi fenomenològic (teòric) i

després trobant les possibles aplicacions, centrant-me en una d’elles. L’aplicació

en la qual m’he centrat ha estat la resistència nul·la causat per superconductivitat,

i precisament he dissenyat i construït un circuit superconductor, amb el seu

posterior funcionament demostrat a un dels vídeos annexats.

Resumen

Aunque sea un fenómeno poco conocido, la superconductividad puede llegar a

tener un elevado grado de importancia en el futuro, y de hecho, ya se utiliza en

muchos ámbitos en los que desconocemos su uso. Es esta la razón que me llevó

a hacer investigación de la superconductividad, primero realizando una parte de

estudio fenomenológico (teórico) y luego encontrando las posibles aplicaciones,

centrándome en una de ellas. La aplicación en la que me he centrado ha sido la

resistencia nula la causado por superconductividad, y precisamente he diseñado y

construido un circuito superconductor, con su posterior funcionamiento

demostrado en uno de los vídeos.

Summary

Although it is a little known phenomenon, superconductivity can have a high

degree of importance in the future, and in fact, is already used in many areas

where its use is unknown. This is the reason that led me to search for

superconductivity, the first part of making a phenomenological study (theoretical)

and then finding possible applications, focusing on one of them. The application in

which I was focused zero resistance caused by the superconductivity, and indeed I

have designed and built a superconducting circuit, with a subsequent operation of

the videos shown attached.

2

. INDEX .

1. Introducció

2. Electricitat

2.1 Què és l’electricitat?

2.2 Els Diferents Tipus d'electricitat

2.3 Diferent conceptes de electricitat

3. Conductor

3.1 Què és la Conductivitat?

3.2 Un conductor

3.2 Materials Conductors.

3.3 Les seves aplicacions.

4. Resistència elèctrica

4.1 Què és la Resistència elèctrica?

4.2 Causes de la resistència elèctrica.

4.3 Seu efecte en el transport de Energia.

5. Superconductors i la Superconductivitat

5.1 La Historia de la superconductivitat

5.2 Que és la Superconductivitat?

5.3 Un Superconductor

5.4 Classificacions de superconductors

5.5 Teories de la Superconductivitat

5.6 Les Aplicacions de la superconductivitat

5.7 El Supermagnetisme en els Superconductors

6 Experiment

7 Avantatges i Desavantatges

8 Conclusió(Quin es millor)

9 Bibliografia i Agraïments

3

1. Introducció

Sempre m’ha fascinat el món de la investigació, la ciència, la innovació i la

tecnologia. És per això que des que vaig sentir-ne a parlar sobre la

superconductivitat per primer cop, em vaig sentir atret, i a partir d’aquell moment

he anat descobrint coses que no han parat de sorprendre’m sobre aquest

fenomen.

Com la disminució de la resistència o com la levitació de imants causat per La

superconductivitat.

Crec que realitzar un treball sobre un tema com aquest és una bona manera

d’aprendre exactament què és i posteriorment donar-lo a conèixer, ja que és molt

sorprenent i molt interessant, però incomprensiblement poc conegut, així que a fer

recerca i a investigar!

El meu treball constarà de dues parts.

En la primera part, miraré d’informar-me i realitzar una part teòrica de la

superconductivitat i els altres elements principals que la fan possible, per tant, vull

analitzar el fenomen en general. Aquests, són els següents objectius teòrics que

realitzaré en aquesta fase:

1. Fer una pinzellada històrica del que ha estat la superconductivitat en el

món de la ciència sobretot durant aquest últim segle XX, explicar qui la va

descobrir i quin ha estat el procés i l’evolució de la recerca fins l’actualitat.

2. Profunditzar i analitzar teòricament què és la superconductivitat i les

característiques del materials que comporta. Extreure’n una explicació

científica, i profunditzar-ho en el món de l’electrònica, sobretot pel que fa a

la pèrdua de resistència. Explicar fenòmens com l’efecte joule, l’efecte

Meissner i l’efecte Josephson que fan possible aquesta propietat i finalment

analitzar els elements dels quals depèn l’estat del superconductor.

3. Elaborar una llista d’elements i materials superconductors principals, i

determinar de quin tipus són (tipus I o tipus II), explicant també la diferència

4

entre els dos tipus. També intentar trobar els valors crítics d’aquests

elements, en el qual perden la resistència i es tornen superconductors.

4. Quin és el mètode més eficaç per tenir un superconductor a temperatures

més altes.

5. Aturar-me per fer un apartat amb detall sobre els Superconductors d’alta

temperatura i explicar quin és el gran canvi que ha suposat el descobriment

d’aquests.

En la segona part, em centraré única i exclusivament a les aplicacions que

podem obtenir gràcies a la superconductivitat en el futur, sobretot gràcies a les

propietats de resistència nul·la i a les seves propietats magnètiques. Cal

remarcar que en aquesta fase, en quasi tots els objectius hi haurà una part

important que serà comparar-ho amb el mateix recurs però sense ser

superconductor (és a dir, convencional), i extreure’n avantatges i

inconvenients. Aquests són els objectius que intentaré assolir en aquesta

segona fase:

1. Estudiar una de les aplicacions més importants dels superconductors.

2. Per acabar, també utilitzant els meus coneixement

Per dur a terme els objectius de la primera part, utilitzaré els següents mitjans:

- Llibres especialitzats en superconductivitat: consistirà en una recerca

bibliogràfica, per biblioteques, llibreries i altres llocs.

- Internet: hi ha un munt de pàgines que parlen sobre la superconductivitat, i

que seran molt útils per a la realització teòrica del meu treball.

Per dur a terme els objectius de la segona part, utilitzaré els següents mitjans:

- Tot el que són mitjans bibliogràfics i informatius de la part anterior, encara

que aquest cop no seran tan essencials ja que aquesta segona part té molt pes

pràctic.

- La informació per tal de saber com dur a terme la part pràctica es pot obtenir

de internet i de documentals.

5

Ja deixant a banda els recursos i fonts d’on obtenir els mitjans per a poder

realitzar el treball, convé parlar de com ho penso fer. És per això que en cada

aspecte complicat dels objectius del treball explico quina serà la manera de

realitzar-lo:

- Aprofundiment del fenomen en el món de l’electricitat: ho faré relacionant les

dades característiques de l’estat superconductor amb les fórmules elèctriques.

- Centrar-me en el cas del diòxid de carboni: fer pràctiques amb el diòxid de

carboni i altres materials, extraient-ne les conclusions necessàries.

- Altres aplicacions: serà importantíssim valorar les avantatges i inconvenients

sobre si és millor un superconductor o un convencional. Per això també serà

important saber si aquestes aplicacions s’utilitzen avui en dia i a on.

6

2. Electricitat

2.1 Què és l’electricitat?

L’electricitat és un fenomen físic originat per càrregues elèctriques estàtiques o en

moviment i per la seva interacció. Quan una càrrega es troba en repòs produeix

forces sobre altres situades en el seu entorn. Si la càrrega es desplaça produeix

també forces magnètiques. Hi ha dos tipus de càrregues elèctriques, anomenades

positives i negatives.

L'electricitat està present en algunes partícules subatòmiques. La partícula

fonamental més lleugera que porta càrrega elèctrica és l'electró, que transporta

una unitat de càrrega. Els àtoms en circumstàncies normals contenen electrons, i

sovint els que estan més allunyats del nucli es desprenen amb molta facilitat. En

algunes substàncies, com els metalls, proliferen els electrons lliures. D'aquesta

manera un cos queda carregat elèctricament gràcies a la reordenació dels

electrons.

Un àtom normal té quantitats iguals de càrrega elèctrica positiva i negativa, per

tant és elèctricament neutre. La quantitat de càrrega elèctrica transportada per

tots els electrons de l'àtom, que per convenció són negatives, aquesta equilibrada

per la càrrega positiva localitzada en el nucli. Si un cos conté un excés d'electrons

queda carregat negativament. Per contra, amb l'absència d'electrons un cos

queda carregat positivament, ja que hi ha més càrregues elèctriques positives en

el nucli.

7

2.2 Els diferents tipus d’electricitat

Hi ha dos tipus d'electricitat, l'electricitat estàtica i corrent elèctric. L'electricitat

estàtica es fa fregant entre si dues o més objectes i fer fricció mentre que

l'electricitat actual és el flux de càrrega elèctrica a través d'un camp elèctric.

Electricitat estàtica:

L'electricitat estàtica és quan les càrregues elèctriques s'acumulen a la superfície

d'un material. Generalment és causada per materials freguin entre si. El resultat

d'una acumulació d'electricitat estàtica és que els objectes poden ser atrets l'un a

l'altre, o fins i tot poden causar una espurna per saltar d'una a l'altra. Per exemple

fregar un globus en una llana i mantenir-la fins la paret.

Abans de frec, tots els materials com, els globus i el suèter de llana tenen una

càrrega neutra. Això és perquè cada un té un nombre igual de partícules

subatòmiques amb càrrega positiva (protons) i partícules subatòmiques

carregades negativament (electrons). Quan es frega el globus amb el suèter de

llana, els electrons són transferits de la llana a la goma a causa de les diferències

en l'atracció dels dos materials per als electrons. El globus es carrega

negativament, ja que guanya electrons de la llana, i la llana es carrega

positivament perquè perd electrons.

8

Corrent Electric:

És la taxa de flux d'electrons produïda per electrons que es mouen i que es

mesura en amperes. A diferència de l'electricitat estàtica, corrent electric ha de

fluir a través d'un conductor, generalment filferro de coure o etc. L'electricitat és

igual que el corrent quan es pensa en un riu. El riu flueix d'un lloc a un altre, i la

velocitat que es mou és la velocitat del corrent. Amb l'electricitat, el corrent és una

mesura de la quantitat d'energia transferida durant un període de temps. Aquesta

energia es diu un flux d'electrons. Un dels resultats del corrent és l'escalfament

del conductor. Quan una estufa elèctrica s'escalfa, que és pel flux de corrent.

Existeixen diferents fonts d'electricitat actual, incloent les reaccions químiques que

tenen lloc en una bateria. La font més comú és el generador. Un simple generador

produeix electricitat quan una bobina de coure gira dins d'un camp magnètic. En

una planta d'energia, electroimants que fan girar dins molts bobines de filferro de

coure generen grans quantitats d'electricitat de corrent.

Hi ha dos tipus principals de corrent elèctric. Directa (DC) i alterna (AC). És fàcil

de recordar. El corrent continu és com l'energia que s'obté d'una bateria. El

corrent altern és com els endolls a la paret. La gran diferència entre els dos és

que CC és un flux d'energia, mentre que AC pot encendre i apagar. AC inverteix la

direcció dels electrons.

9

2.3 Diferents conceptes de electricitat

Càrrec Electric :- La càrrega elèctrica és la propietat física de la matèria que fa

que experimenti una força quan es col·loca en un camp electromagnètic. Hi ha

dos tipus de càrregues elèctriques: positives i negatives.

A La física, la càrrega, també conegut com a càrrega elèctrica, càrrega elèctrica, o

càrrega electrostàtica i simbolitzada per (q), és una característica d'una unitat de

matèria que expressa la mesura que té més o menys electrons que protons. En

els àtoms, l'electró té una càrrega primària o unitat negativa; el protó porta una

càrrega positiva. Els dos tipus de càrrega són iguals i oposades.

En un àtom de la matèria, una càrrega elèctrica es produeix cada vegada que el

nombre de protons en el nucli difereix del nombre d'electrons que envolten aquest

nucli. Si hi ha més electrons que protons, l'àtom té una càrrega negativa. Si hi ha

menys electrons que protons, l'àtom té una càrrega positiva. La quantitat de

càrrega que porta un àtom és sempre un múltiple de la càrrega elemental, és a

dir, la càrrega transportada per un sol electró o un sol protó. Una partícula, àtom,

o un objecte amb càrrega negativa es diu que té polaritat elèctrica negativa; una

partícula, àtom, o un objecte amb càrrega positiva es diu que té polaritat elèctrica

positiva.

El corrent elèctric:-

Un corrent elèctric és un flux de càrrega elèctrica. En els circuits elèctrics aquest

càrrec és sovint portat per electrons que es mouen en un filferro. També es pot fer

per ions en un electròlit, o per ambdós ions i electrons, com en un plasma.

10

La unitat SI per a mesurar un corrent elèctric és l'ampere(A), que és el flux de

càrrega elèctrica a través d'una superfície a raó d'un coulomb per segon. El

corrent elèctric es mesura utilitzant un dispositiu anomenat un amperímetre.

Els corrents elèctriques poden tenir molts efectes, en particular la calefacció, però

també crear camps magnètic, que s'utilitzen en motors, inductors i els generadors.

Les abreviatures de CA i CC s'utilitzen sovint per significar simplement alterna i

directa, com quan modifiquen corrent o voltatge.

Corrent continu:-

El corrent directa (DC) és el flux unidireccional de la càrrega elèctrica. El corrent

directa és produïda per fonts com ara bateries, termoparells, cel solars i màquines

elèctriques de tipus commutador de tipus dinamo. El corrent directa pot fluir en un

conductor tal com un filferro, però també pot fluir a través dels semiconductors,

aïllants, o fins i tot a través d'un buit com en feixos d'electrons o d'ions. La càrrega

elèctrica flueix en una direcció constant, distingint de corrent altern (AC). Un terme

utilitzat anteriorment per corrent continu era corrent galvànica.

Corrent altern:-

En el corrent altern (AC), el moviment de la càrrega elèctrica inverteix

periòdicament direcció. En el corrent directa (DC, també dc), el flux de càrrega

elèctrica és només en una direcció.

AC és la forma en què l'energia elèctrica es subministra a empreses i residències.

La forma d'ona habitual d'un circuit d'alimentació de CA és una ona sinusoïdal. En

certes aplicacions, s'utilitzen diferents formes d'ona, com ara ones triangulars o

11

quadrades. D'àudio i de ràdio senyals transportades en cables elèctrics són també

exemples de corrent altern. En aquestes aplicacions, un objectiu important és

sovint la recuperació de la informació codificada (o modulada) sobre el senyal de

CA.

Camp elèctric :-

El camp elèctric es defineix com la força elèctrica per unitat de càrrega. La

direcció del camp es pren com la direcció de la força que exerciria sobre una

càrrega de prova positiva.

Potencial Elèctric :-

La quantitat de treball necessari per moure una unitat de càrrega des d'un punt de

referència a un punt específic en contra d'un camp elèctric. Típicament, el punt de

referència és la Terra, encara que qualsevol punt més enllà de la influència de la

càrrega de camp elèctric pot ser utilitzat.

12

Electromagnetisme :-

Electromagnetisme, o la força electromagnètica és una de les quatre interaccions

fonamentals de la natura. Els altres tres són la interacció forta, la interacció feble, i

la gravitació. Aquesta força és descrit pels camps electromagnètics, i té

innombrables casos físiques incloent la interacció de partícules carregades

elèctricament i la interacció de camps de força magnètica no carregats amb

conductors elèctrics.

El electromagnetisme és la branca de la física que s'ocupa de l'electricitat i el

magnetisme i la interacció entre ells. Va ser descobert per primera vegada al

segle 19 i té una àmplia aplicació en el món actual de la física.

L'electromagnetisme és bàsicament la ciència dels camps electromagnètics. Un

camp electromagnètic és el camp produït pels objectes que es carreguen

elèctricament. Les ones de ràdio, les ones infraroges, ones ultraviolada, i

radiografies són tots els camps electromagnètics en un determinat rang de

freqüències. L'electricitat es produeix pel canvi de camp magnètic. El fenomen

també s'anomena "inducció electromagnètica." De la mateixa manera el camp

magnètic es produeix pel moviment de les càrregues elèctriques.

13

Electroquímica :-

La capacitat de reaccions químiques per a produir electricitat, i per contra la

capacitat de l'electricitat per conduir reaccions químiques té una àmplia gamma

d'usos.

Electroquímica sempre ha estat una part important de l'electricitat. Des de la

invenció inicial de la pila voltaica, cèl·lules electroquímiques s'han convertit en els

diferents tipus de bateries, galvanoplàstia i cel d'electròlisi. L'alumini es produeix

en grans quantitats d'aquesta manera, i molts dispositius portàtils són alimentats

elèctricament mitjançant bateries recarregables.

14

Ona electromagnètica :-

Les ones electromagnètiques són ones que poden viatjar a través del buit de

l'espai exterior. Ones mecàniques, a diferència de les ones electromagnètiques,

requereixen la presència d'un medi material per tal de transportar la seva energia

d'un lloc a un altre.

Una ona d'energia que té una freqüència dins de l'espectre electromagnètic i

propagada tal com una pertorbació periòdica del camp electromagnètic quan una

càrrega elèctrica oscil·la o accelera.

15

3. Conductors

3.1. Que es la Conductivitat?

La conductivitat elèctrica és la mesura de la capacitat d'un material per acomodar

el transport d'una càrrega elèctrica. La seva unitat derivada del SI és el siemens

per metre (A2s3m-3kg-1) (el nom de Werner von Siemens) o, més simplement,

Sm-1. És la relació de la densitat de corrent a la força del camp elèctric o, en

termes més pràctics, és equivalent a la conductància elèctrica mesurada entre les

cares oposades d'un cub d'1 metre del material sota prova.

Com a símbol de la conductivitat elèctrica trobem (kappa), sinó també (sigma) o

(gamma).

Conductància és un fenomen elèctric que un material conté partícules mòbils amb

càrrega elèctrica (tals electrons), el que pot conduir l'electricitat. Quan una

diferència de potencial elèctric es col·loca a través d'un conductor, les seves

càrregues mòbils flueixen, i apareix un corrent elèctric. Un conductor tal com un

metall té alta conductivitat, i un aïllant com glassor un buit té una baixa

conductivitat. Un semiconductor té una conductivitat que varia àmpliament en

diferents condicions. La conductivitat elèctrica és la inversa (o inversa) de

resistivitat elèctrica.

16

3.2. Un conductor?

Un conductor elèctric és aquell cos que posat en contacte amb un cos carregat

d'electricitat transmet aquesta a tots els punts de la seva superfície. Generalment

elements, aliatges o compostos amb electrons lliures que permeten el moviment

de càrregues.

Els elements capaços de conduir l'electricitat quan són sotmesos a una diferència

de potencial elèctric més comuns són els metalls, i el coure el mes usat d'entre

tots ells, un altre metall utilitzat és l'alumini i en aplicacions especials, per la seva

baixa resistivitat i duresa a la corrosió, s'usa l'or. Encara que tots els metalls són

conductors elèctrics existeixen altres materials, no metàl·lics, que també

posseeixen la propietat de conduir l'electricitat com són el grafit, les solucions

salines (pe l'aigua de mar) i qualsevol material en estat de plasma.

Perquè un material es consideri bon conductor es requereix que tingui una baixa

resistència o resistivitat per evitar elevades caigudes de tensió i pèrdues

desmesurades pel Efecte Joule.

17

3.3. El us del conductors

Aplicacions dels conductors:-

Per al transport de l'energia elèctrica, així com per a qualsevol instal·lació d'ús

domèstic o industrial, el metall emprat universalment és el coure en forma de

cables d'un o diversos fils. Alternativament s'empra l'alumini, metall que si bé té

una conductivitat elèctrica de l'ordre del 60% de la del coure és, però, un material

molt més lleuger, el que afavoreix la seva ocupació en línies de transmissió

d'energia elèctrica.

Conduir l'electricitat d'un punt a un altre (passar electrons a través del conductor,

els electrons flueixen a causa de la diferència de potencial).

Crear Camps electromagnètics en constituir bobines i electroimants.

Modificar la tensió en constituir transformadors.

18

3.4. Materials Conductors

Els materials que son bon conductor de electricitat són normalments metalls com:-

Or Coure

Plata Alumini

Ferro Zinc

19

Conductors en estat líquid altres conductors com la terra cos

humà com aigua amb sal arbres, etc….

4. Resistència elèctrica

4.1 Que es la Resistència elèctrica?

Se li denomina resistència elèctrica a la igualtat d'oposició que tenen els electrons

al desplaçar-se a través d'un conductor. La unitat de resistència en el Sistema

Internacional és l'ohm, que es representa amb la lletra grega omega (Ω), en honor

al físic alemany George Ohm, qui va descobrir el principi que ara porta el seu

nom. La resistència està donada per la següent fórmula:

On ρ és el coeficient de proporcionalitat o la resistivitat del material.

La resistència d'un material depèn directament d'aquest coeficient, més és

directament proporcional a la seva longitud (augmenta a mesura que és més gran

la seva longitud) i és inversament proporcional a la seva secció transversal

(disminueix a mesura que augmenta el seu gruix o secció transversal)

Descoberta per Georg Ohm en 1827, la resistència elèctrica té una semblança

conceptual a la fricció en la física mecànica. La unitat de la resistència en el

Sistema Internacional d'Unitats és l'ohm (Ω). Per a la seva mesura, en la pràctica

existeixen diversos mètodes, entre els quals es troba l'ús d'un ohmímetre. A més,

la seva quantitat recíproca és la conductància, mesurada en Siemens.

20

A més, d'acord amb la llei d'Ohm la resistència d'un material pot definir-se com la

raó entre la diferència de potencial elèctric i el corrent en que travessa aquesta

resistència, així: On R és la resistència en ohms, V és la diferència de potencial

en volts i I és la intensitat de corrent en amperes.

4.2 Causes de la resistència elèctrica?

En un metall, els àtoms estan disposats en una configuració de similars a

vidre. El tipus de metall es determinarà com es disposen els bons, i com de

prop estan agrupats els àtoms. Els electrons poden habitar nivells d'energia.

Generalment, només els electrons "externs" en un àtom interactuen per

formar els enllaços amb altres àtoms. Aquests electrons externs es

mantenen a l'àtom amb una quantitat relativament petita d'energia.

Normalment, habiten un nivell d'energia que anomenem la banda de

valència. Aquest és el seu estat de "terra". L'addició d'energia pot augmentar

aquests electrons de la banda de valència i la banda a "conducció". A la

banda de conducció que són lliures de moure dins de l'estructura cristal·lí.

L'aplicació d'un potencial elèctric influir-hi per moure en una direcció

particular.

Ara, en un metall, la banda de valència està relativament a prop de la banda

de conducció - és a dir, cal molt poca energia per causar electrons per saltar

del seu estat de valència a la banda de conducció. De fet, pensem en els

metalls que tenen una gran població d'electrons lliures a la banda de

conducció en tot moment. Així l'aplicació de potencial elèctric farà que es

mouen - un flux de corrent. Així, els metalls tenen generalment un

relativament baix (encara que no zero) de resistència. En un material tal com

21

vidre, hi ha una gran diferència d'energia entre la valència i la banda de

conducció. Això vol dir que hi ha molt pocs electrons lliures disponibles per

al flux de corrent, i es necessita una gran aportació d'energia per elevar

qualsevol electrons a la banda de conducció.

Dins d'un conductor de metall, encara que hi ha electrons lliures, encara hi

ha resistència al flux de corrent. Això pot ser descrita per models senzills,

però pel que sembla només teories quàntiques d'electrons tractar amb

precisió el comportament dels metalls sota condicions extremes, com

temperatures molt baixes. Substitució de la idea dels electrons com

partícules amb electrons com a ones resol els problemes dels models més

senzills. Pot imaginar aquestes ones d'electrons oscil·lants a través de la

retícula de metall (que també pot ser representat com una estructura en

forma d'ona) - la interferència de l'estructura reticular amb els electrons

causa resistència. Aquesta resistència és causada principalment per dues

coses. Un d'ells és impureses en el metall, que causen irregularitats en la

periodicitat de la xarxa. L'altre és la pertorbació o "vibració" de la xarxa

causada per la calor. Atès que alguns de calor està sempre present (excepte

en el zero absolut) sempre hi ha una mica de resistència d'aquesta font que

impedeix que els electrons de navegar a través.

4.3 Seu efecte en el transport de Energia?

La resistència és responsable d'una dissipació d'energia en forma de calor,

aquesta propietat es denomina efecte Joule. Quan un corrent I flueix a través d'un

objecte amb una resistència R, l'energia elèctrica es converteix en calor en un

proporció de potència igual a:

22

5. Superconductor i la Superconductivitat

5.1 Quan es va descobrir per primera vegada?

En el segle XIX es van dur a terme diversos experiments per mesurar la

resistència elèctrica a baixes temperatures, sento James Dewar el primer pioner

en aquest camp.

No obstant això, la superconductivitat com a tal no es descobriria fins a 1911, any

en què el físic holandès Heike Kamerlingh Onnes va observar que la resistència

elèctrica del mercuri desapareixia bruscament en refredar a 4 K (-269 ° C), quan

el que s'esperava era que disminuís gradualment fins al zero absolut. Gràcies als

seus descobriments, principalment pel seu mètode per aconseguir la producció

d'heli líquid, rebria dos anys més tard el premi Nobel de física. Durant els primers

anys el fenomen va ser conegut com supraconductivitat.

El 1913 es descobreix que un camp magnètic suficientment gran també destrueix

l'estat superconductor, descobrint-tres anys després l'existència d'un corrent

elèctric crítica.

Ja que es tracta d'un fenomen essencialment quàntic, no es van fer grans

avanços en la comprensió de la superconductivitat, ja que la comprensió i les

eines matemàtiques que disposaven els físics de l'època no van ser suficients per

afrontar el problema fins als anys cinquanta. Per això, la investigació va ser fins 23

llavors merament fenomenològica, com ara el descobriment de l'efecte Meissner

el 1933 i la seva primera explicació mitjançant el desenvolupament de l'equació de

London dos anys més tard per part dels germans Fritz i Heinz London.

Les teories principals

Els majors avanços en la comprensió de la superconductivitat van tenir lloc en els

anys cinquanta: el 1950 és publicada la teoria Ginzburg-Landau, i el 1957 veuria

la llum la teoria BCS.

La teoria BCS va ser desenvolupada per Bardeen, Cooper i Schrieffer (dels seus

inicials sorgeix el nom BCS), gràcies al qual els tres rebrien el premi Nobel de

física en 1972 Aquesta teoria es va poder desenvolupar gràcies a dues pistes

fonamentals ofertes per físics experimentals a principis dels anys cinquanta:

El descobriment de l'efecte isotòpic en 1950 (que va vincular la superconductivitat

amb la xarxa cristal·lina),

i el descobriment de Lars Onsager en 1953 que els portadors de càrrega són en

realitat parelles d'electrons anomenats parells de Cooper (resultat d'experiments

sobre la quantització flux magnètic que passa a través d'un anell superconductor).

La teoria Ginzburg-Landau és una generalització de la teoria de London

desenvolupada per Vitaly Ginzburg i Lev Landau en1950.1 Si bé aquesta teoria

precedeix set anys a la teoria BCS, els físics d'Europa Occidental i els Estats

Units li van prestar poca atenció pel seu caràcter més fenomenològic que teòric,

unit a la incomunicació d'aquells anys entre ambdós costats del Teló d'Acer.

Aquesta situació va canviar el 1959, any en què Lev Gorkov va demostrar que es

podia derivar rigorosament a partir de la teoria microscòpica en un article que

també va publicar a anglès.

El 1962 Brian David Joseph son va predir que podria haver corrent elèctric entre

dos conductors fins i tot si hi hagués una petita separació entre aquests, a causa

del efecte túnel. Un any més tard Anderson i Rowell ho van confirmar

experimentalment. L'efecte seria conegut com a efecte Josephson, i està entre els

fenòmens més importants dels superconductors, tenint gran varietat d'aplicacions,

des de la magneto encefalografia fins a la predicció de terratrèmols.

24

5.2 Que és la Superconductivitat?

La superconductivitat(efecte pel qual un camp magnètic provoca l'aparició d'un

corrent elèctric en un conductor.) és la capacitat intrínseca que posseeixen certs

materials per conduir el corrent elèctric amb resistència nul·la en determinades

condicions. La superconductivitat es dóna per sota d'una determinada

temperatura; no obstant això, no és suficient amb refredar el material, també és

necessari no excedir un corrent crític ni un camp magnètic crític per poder

mantenir l'estat superconductor. Aquesta propietat va ser descoberta en 1911 pel

físic holandès Heike Kamerlingh Onnes, quan va observar que la resistència

elèctrica del mercuri desapareixia quan el refredava a 4 K (-269 °C).

El fenomen es produeix en diversos materials: des d'elements simples, com

l'estany i l'alumini, a semiconductors molt dopats i determinats compostos

ceràmics que contenen plans d'àtoms de coure i oxigen. No es produeix en

metalls com l'or o la plata ni en la majoria de metalls ferromagnètics.

La superconductivitat és un efecte purament quàntic, i no es pot entendre

extrapolant les lleis clàssiques de la conductivitat elèctrica i l'electromagnetisme.

Actualment, si bé es comprèn perfectament a nivell teòric el fenomen

convencional de la superconductivitat, encara no es disposa d'una explicació

teòrica per a la superconductivitat d'alta temperatura, descoberta el 1987 i que

apareix en la majoria de cuprats.

25

5.3 Un Superconductor

Un superconductor és un material que pot conduir l'electricitat o el transport dels

electrons d'un àtom a un altre sense resistència. Això vol dir que no hi ha calor,

so o qualsevol altra forma d'energia serien alliberats a partir del material quan ha

arribat a "temperatura crítica" (Tc), o la temperatura a la qual el material es

converteix en superconductor. Desafortunadament, la majoria dels materials han

d'estar en un estat d'energia extremadament baixa (molt fred) per arribar a ser

superconductor. S'estan realitzant investigacions per desenvolupar compostos

que esdevenen superconductor a temperatures més altes. Actualment, una

quantitat excessiva d'energia ha de ser utilitzat en el procés de refredament fent

superconductors ineficient i antieconòmic.

Els superconductors són de dos tipus diferents: tipus I i tipus II. (1)

26

Tipus I Els superconductors

Un superconductor de Tipus I es compon d'elements conductors bàsics que

s'utilitzen en tot, des del cablejat elèctric per microxips d'ordinador. Actualment,

els superconductors de tipus I tenen Tcs entre 0.000325 ° K i 7,8 ° K a pressió

normal. Alguns superconductors de tipus I requereixen una increïble quantitat de

pressió per tal d'aconseguir l'estat superconductor. Un d'aquests materials és

sofre que, requereix una pressió de 9,3 milions d'atmosferes (9,4 x 1011 N / m2) i

una temperatura de 17 K per arribar a la superconductivitat. Alguns altres

exemples dels superconductors de tipus I inclouen Mercuri - 4,15 ° K, s'avança -

7,2 ° K, alumini - 1.175 ° K i Zinc - 0,85 ° K. Aproximadament la meitat dels

elements en la taula periòdica se sap que són superconductors.

Els superconductors de tipus II

27

Un superconductor de Tipus II es compon de compostos metàl·lics com ara coure

o plom. Arriben a un estat superconductor a temperatures molt més altes en

comparació amb els superconductors de tipus I. La causa d'aquest augment brusc

de temperatura no s'entén completament. La major Tc aconseguir a pressió

Standard, fins a la data, és de 135 K o -138 ° C per un compost

(HgBa2Ca2Cu3O8) que cau en un grup dels superconductors coneguts com

perovskitas de cuprato. Aquest grup de superconductors generalment té una

relació de 2 a 3 àtoms de coure àtoms d'oxigen, i es considera que és una

ceràmica. Tipus superconductors II també pot ser penetrat per un camp magnètic,

mentre que un tipus 1 no puc.

5.4 Classificacions de Superconductors

Resposta a un camp magnètic: Un superconductor pot ser de tipus I, el que

significa que té un únic camp crític, per sobre del qual es perd tota la

superconductivitat; o Tipus II, el que significa que té dos camps crítics, entre

els quals permet la penetració parcial del camp magnètic.

Per la teoria d'operació: És convencional si pot ser explicat per la teoria BCS

o els seus derivats, o no convencional, en cas contrari.

Per temperatura crítica: Un superconductor es considera generalment alta

temperatura si s'arriba a un estat superconductor quan es refreda amb

nitrogen líquid - és a dir, en només Tc> 77 K) - o baixa temperatura si es

requereixen tècniques de refredament més agressives per aconseguir la

seva temperatura crítica .

Pel material: classes de materials superconductors inclouen elements

químics (per exemple, mercuri o plom), aliatges (com el niobi-titani, germani-

niobi, i nitrur de niobi), ceràmica (YBCO i diboruro de magnesi), o els

superconductors orgànics (ful·lerens i els nano tubs de carboni , encara que

tal vegada aquests exemples s'han d'incloure entre els elements químics, ja

que es componen enterament de carboni).

28

5.5 Teories de la Superconductivitat

5.5 Teories de la Superconductivitat

Teoria fenomenològica de la Superconductivitat Ginzburg-Landau

La primera teoria fenomenològica de la superconductivitat acceptada fou la teoria

de transicions de fase de Ginzburg-Landau. Aquesta teoria es basa en assumir

que el comportament dels electrons s’ha de representar com la funció ψ d’una

ona. Aleshores aquests dos físics van afirmar que | ψ |2 és igual a la densitat

d’electrons superconductors.

A partir de l’observació experimental (i no pas a partir de càlculs quàntics) aquests

físics van establir el que s’anomena paràmetre d’ordre, que és aquell paràmetre

que ens defineix l’ordre i desordre d’un element, determinant les transicions

d’estat superconductor. Però tot aquest càlcul sorgeix de l’observació de dos

paràmetres clau per caracteritzar els superconductors: la longitud de coherència

(longitud de correlació amb el paràmetre d’ordre, distància sobre la qual el

paràmetre d’ordre pot variar) i la longitud de penetració (distància sobre la qual el

camp magnètic pot variar). El paràmetre d’ordre permet classificar els

superconductor en dos tipus (I i II), depenent de si són majors o menors a un

nombre establert.

Teoria microscòpica de la Superconductivitat BCS

L’any 1957 tres físics (John Bardeen, Leon Cooper i Robert Schrieffer,) varen

desenvolupar la teoria BCS, que fou la teoria microscòpia de la

Superconductivitat, amb la qual pretenen explicar el fenomen mitjançant la

29

descripció del comportament dels àtoms. La realització d’aquesta teoria els va

suposar rebre el premi Nobel l’any 1972.

Aquesta teoria afirma que els electrons que flueixen a través d’un cos SC

s’agrupen en parells, anomenats parells de Cooper. Aquests es poden considerar

quasipartícules, i estan lligats per un fonó, és a dir, per una vibració de la xarxa

cristal·lina d’un material. Quan un parell d’electrons es mou a través de la xarxa

cristal·lina, deixa anar una estela que és aprofitada pels següents parells com a

camí a través de la xarxa, evitant col·lisions amb altres partícules, fet que

obstaculitzaria el fluid i generaria resistència elèctrica. Tot això és suposant que el

sistema està a prop del zero absolut i per tant, l’activitat molecular és molt

reduïda.

Per explicar la T crítica, es basen que a mesura que quan la temperatura puja, les

vibracions moleculars augmenten, i per tant augmenten les vibracions de la xarxa

cristal·lina, fins que els parells de Cooper s’acaben trencant, ja no formen l’estela,

i apareix resistència.

Comparació i conclusions

Després d’analitzar les dues teories, he pogut constatar que cap es pot aplicar pel

fenomen en general, ja que en elles no podem trobar encara l’explicació del

fenomen en tots els casos.

Pel que fa a la teoria G-L, es basa en fets massa fenomenològics però no dona

una explicació del sistema molecular dels SC i les seves característiques, és a dir,

que explica que hi ha un paràmetre d’ordre, però no explica com es genera aquest

ordre o desordre.

I pel que fa a la teoria BCS, que semblava culminar l’objectiu d’intentar trobar una

teoria per desvelar tots els misteris del funcionament d’aquest fenomen, he de dir

que se’n va a norris quan es van descobrir els SC d’alta temperatura. Ja que

aquesta teoria es basa en sistemes propers al 0 absolut, on els àtoms quasi no es

poden ni moure.

És per això que encara no hi ha una teoria de la superconductivitat completa i

correcte. És per això que encara avui està en procés d’investigació. Ries de la

Superconductivitat

30

5.7 El Supermagnetisme en els Superconductors

Els superconductors tenen unes característiques magnètiques molt

peculiars, sobretot pel que fa a l’efecte Meissner, que és aquella propietat en

la qual el superconductor esdevé diamagnètic, i el camp no pot entrar.

Però a part de l’efecte Meissner, hi ha un altre característica molt important,

que és el flux atrapat. El flux atrapat, també anomenat camp atrapat, és

quan el superconductor és afectat per un camp mentre fa el canvi d’estat.

D’aquesta manera, el SC atrapa el flux del camp, i és per això que és

possible la levitació o també el fet de poder aguantar a un material

ferromagnètic que està per sota sense que caigui i a més a més sense estar

en contacte amb el SC (13).

31

No obstant, aquesta característica del camp atrapat no es dóna en tots els

superconductors, sinó que es dóna només en els superconductors de tipus II

(veure apartat. Gràcies a les imperfeccions de l’estat superconductor de tipus II el

camp pot penetrar pels vòrtexs i és això el que permet que després es pugui

donar el cas del flux atrapat.

6. Experiment

Materials de proba

Coure, Hierro, Plàstic, matèria orgànica(teixit de cotó), Carbon(mineral) i grafeno

Materials para obtenir dates

Multímetre , Clips crocodils, cables, Font de alimentació.

Materials per refredar

Gel sec o ben dit diòxid de carboni solid

32

Pas 1:-Medir la reistencia i intensitat de cada material a temperatura ambient .

Pas 2:-Posar els materials en diòxid de carboni solid un per un i medir la

resistencia i intensitat de cada materials

Pas 3:-Veure la diferencia de resistència de materials i fer una gràfica.

Materials Intensitat

Tambient

Intensitat

TFred

Resistència

Tamb

Resistència

Tfred

Orgànic 0 A 0 A ∞ Ω ∞ Ω

Coure 0.38 A 0.37 A 13.15789474

Ω

13.51351351

Ω

Acer 0.38 A 0.40 A 13.15789474

Ω

12.5 Ω

Ferro 0.37 A 0.36 A 13.51351351

Ω

13.88888889

Ω

Grafeno 0 A 0 A ∞ Ω ∞ Ω

Carbon 0 A 0 A ∞ Ω ∞ Ω

33

7. Avantatges i Desavantatges

Avantatges de Conductors

• Preu de la fabricació baixa

• Materials fàcils de Obtingueu

• Materials mes fàcil de tractar per poder fer-lo servir

• Mes fàcil de utilitzar

• Menys resistència que altres materials

• Menys fràgil

• Mes forca mecànica

Desavantatges de Conductors

• Pèrdua d'energia causat per la resistència34

• Nomes els materials Metàl·lics són a els que podin transportar energia.

• La escassetat de materials Metàl·lics.

• La necessitat de purificar els minerals avanç de poder fer-lo servir

• La creació innecessària de camp magnètic causat per el flux de electrons que

causa la pèrdua de intensitat en la creació d'aquest camp magnètic.

Avantatges de Superconductors

• No hi ha pèrdua d'energia

• No hi pèrdua de intensitat per que no és crea cap camp magnètic

• Com que no hi ha pèrdua d'energia el cost perdut és salva.

Desavantatges de Superconductors

• La limitat d'operar a unes temperatures restringides

• Fragilitat i sensibilitat als canvis en els camps magnètics.

• Per poder arribar a temperatures tan Rates és Necessari 1 Processos cars

• Nomes podin funcionar a corrents continus i no a corrent altern per la creació de

camps magnètics que podin desestabilitzar a si mateix i així no funcionar.

8. Conclusió

- La superconductivitat és un fenomen basat en la característica principal: que és

que condueix tot el corrent. A partir d’aquesta característica se’n deriva tot un

seguit d’altres característiques, propietats i altres aspectes que fan que aquest

fenomen sigui tant extens i tingui tantes aplicacions.

- La superconductivitat és un estat que trenca algunes lleis materials. Sobretot pel

que fa als aspectes elèctrics, és difícil o fins i tot impossible d’aplicar les lleis com

si fos un material normal. Tot i això, també cal considerar que les condicions amb

les quals s’ha de trobar són tant rares com el propi fenomen, encara que cada cop

són més fàcils d’obtenir.

35

La superconductivitat no és un descobriment científic exageradament nou, sinó

que es va descobrir ja fa quasi 100 anys. El que passa, és que fins que no es van

descobrir els SCAT al 1986 no es va començar a investigar amb més profunditat.

- Encara avui en dia, no hi ha una explicació teòrica certa per tots els

superconductors, i malgrat l’intent de la teoria BCS, que es va apropar molt, cal

seguir investigant i cal seguir pensant per tal de donar una explicació d’aquest

fenomen.

Al principi del treball tenia una hipòtesi: que la superconductivitat era un fenomen

poc conegut, però que en canvi tenia una gran projecció i podia ser molt important

pel futur. Ara que ja he finalitzat el treball puc afirmar que la meva hipòtesi era

totalment certa, però encara no sabem si serà tant important, tot depèn de si hi ha

més descobriments i si les empreses s’interessen finalment.

Hi ha aspectes del fenomen que no he pogut entendre del tot, i és que de fet està

dins de la branca de física quàntica, és a dir, d’aquella part de la física que estudia

les partícules atòmiques i el seu comportament. Aquesta branca és molt

complicada, i és per això que no he volgut entrar massa en qüestions de fórmules,

ja que encara no tinc els coneixements suficients.

Encara que hagi fet un treball extens, crec que encara m’han quedat moltes coses

per explicar i moltes coses per aprendre. Això demostra que la Superconductivitat

té una gran extensió i és un món.

Ara escric una frases que m’he trobat en el desenvolupament d’aquest treball i

que tenen molt a veure amb la superconductivitat;

-HUMOR: “- Què li diu un superconductor a un altre? – Quin fred que fa! No

resisteixo més.

9. Bibliografia

Superconductivity

By Charles P.Poole, Jr. Horacio, A. Farach and Richard J. Creswick

(University of South Carolina, Columbia)

ISBN: 0-12-561455-1

CODI UPC: 1400286999

Superconductividad. El umbral de una nueva tecnología.

By Jonathan L.Mayo

(Serie McGraw-Hill de Divulgación Científica)

36

Applied Superconductivity

By A.M. Wolsky et al

(Noyer Data Corporation)

ISBN: 0-8155-1191-4

CODI UPC: 1400134155

Introduction to Superconductivity (2nd Edition)

By A.C. Rose-Innes and E.H. Rhoderick

(University of Manchester Institute of Science and Technology)

ISBN: 0-08-021651

CODI UPC: 1400524362

Superconductividad

By Miguel Ángel Alario i José Luis Vicent

(Eudema Universidad, Textos de Apoyo)

ISBN: 84-7754-072-1

CODI UPC: 1400268626

La superconductividad. Histories y llegendes.

By Sven Ortoli and Jean Klein

ISBN: 84-345-8880-3

→Pàgines Web:

- http://www.dicat.csic.es/dossicat.html Explicació sobre l’estudi del CSIC en la

recerca de la superconductivitat.

- http://ca.wikipedia.org/wiki/Superconductivitat L’explicació de la

superconductivitat en l’enciclopèdia Vikipèdia en català.

- http://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad L’explicació de la

superconductivitat e l’enciclopèdia Vikipèdia en castellà.

- http://ca.wikipedia.org/wiki/Superconductivitat_d'alta_temperatura L’explicació de

la Superconductivitat d’Alta Temperatura en l’enciclopèdia Wikipèdia.

37

- http://www.geocities.com/treball_sc/index.html Treball de Recerca sobre la

superconductivitat realitzat ja fa 4 anys i publicat a Internet.

- http://www.superconductivity.hu/cat/index.html Bona pàgina que es basa en els

aspectes més fenomenològics i en les aplicacions sorprenents, és basa en les

exposicions realitzades a les universitats de Catalunya.

- http://www.latalaia.net/cat/article.asp?art=301 Article del Xavier Granados i el

Xavier Obradors, dos importants físics de l’ICMAB que tracten d’explicar d’una

manera senzilla les característiques del fenomen.

- http://www.xtec.es/cdec/expo_c/guia.htm Pàgina que tracta sobre l’exposició “La

màgia dels Superconductors” realitzada arreu de les Universitats de Catalunya.

- http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/f/f00-892/pres/super.pdf Pàgina que explica

quasi tots els aspectes del fenomen sense entrar en detall.

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/064/htm/

lossuper.htm Pàgina molt completa en diversos aspectes del fenomen, com per

exemple la tipologia de materials superconductors (en castellà).

- http://www.theva.com/ Empresa de productes Superconductors (en anglès)

- http://www.physnet.uni-hamburg.de/home/vms/reimer/htc/pt1.html Pàgina molt

interessant, ja que vas avançant amb diferents apartats (en anglès) .

http://www.vjsuper.org/super/ Pàgina de Jornades Virtuals (en anglès) que es fan

de Superconductivitat.

http://www.superconductors.org Pàgina en anglès que és com la més oficial

d’àmbit internacional. Ja que explica el fenomen al complet i fins i tot te apartats

com per exemple Notícies del món de la superconductivitat.

http://www.ornl.gov/info/reports/m/ornlm3063r1/contents.html Guia de Professors

en Anglès per tal d’impartir classe d’anglès.

http://www.csr.umd.edu/csrpage/index.html Centre de Recerca de

Superconductivitat (en anglès).

http://superconductor.8k.com/ Pàgina que explica com fabricar un superconductor

en castellà.

http://www.cienciasmisticas.com.ar/electronica/comunicaciones/sconductores/

index.php Pàgina molt espessa per la superconductivitat.

- http://www.cienciahoy.org.ar/hoy01/superconductividad.htm Bona Pàgina que

parla del fenomen amb només un avançament d’una pàgina.

38

- http://www.biada.org/alumnes/ltinoco/frame1.htm Treball de Recerca sobre el

Tren Magnètic.

- http://www.mtas.es/insht/ipcsnspn/nspn1199.htm Característiques del Nitrogen

líquid

- http://www.mtas.es//insht/ipcsnspn/nspn0001.htm Característiques de l’Hidrogen

líquid.

- http://www.mtas.es//insht/ipcsnspn/nspn0603.htm Característiques de L’Heli

líquid.

- http://cabtes55.cnea.gov.ar/personales/kolton/tesis/node3.html Pàgina que parla

dels Vòrtexs dels SC.

- http://ca.wikipedia.org/wiki/Teoria_BCS Pàgina que explica la teoria BCS al

Vikipèdia en català.

- http://ca.wikipedia.org/wiki/Parell_de_Cooper Pàgina que parla dels Parells de

Cooper al Vikipèdia en català.

- http://webs.wichita.edu/facsme/nitro.htm Pràctiques amb Nitrogen Líquid (anglès)

- http://www.tdx.cbuc.es/TESIS_UPC/AVAILABLE/TDX-0109103-180241/ Pàgina

d’un estudiant de l’UPC d’un doctorat de la realització d’un motor superconductor.

→Llocs visitats:

- la Biblioteca Pública de la diputació de Barcelona de Bellvitge.

→Programari utilitzat

- Microsoft Word 2013 – Per la redacció de la memòria

- Microsoft Excel 2013 – Per creació de taules i fer càlculs.

- Adobe Photoshop CC – Per tractar les imatges.

-Sony Vegas 15 PRO– Per a tractar els vídeos i algunes imatges.

- Chrome 18.2 – Per obtenir la informació per Internet.

39

-Windows 10 –Per poder executar els programes

9. Agraïments

- A totes les persones que m’han ajudat del centre INS-EUROPA. Concretament

estic parlant de oliver, i especialment el Andrés Fernàndez, que m’han ates

sempre que ho he necessitat, m’han resolt tots els dubtes, i m’han ajudat a

realitzar el experiment. A més a més, totes les pràctiques del experiment i de

l’observació de la baixa resistència les he fet allà, per la qual cosa els hi estic molt

agraït.

- A la meva família, que m’ha recolzat i m’ha ajudat sempre que ho he necessitat.

Ja sigui per fer fotografies, pels consells que m’han donat, per decisions que he

hagut de prendre o per la necessitat de diners.

40

41