Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Bombeo de flujo

El bombeo de flujo es un método para magnetizar superconductores a campos superiores a 15 teslas . Este método se puede aplicar a cualquier superconductor de tipo II y aprovecha...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El bombeo de flujo es un método para magnetizar superconductores a campos superiores a 15 teslas . Este método se puede aplicar a cualquier superconductor de tipo II y aprovecha una propiedad fundamental de los superconductores: su capacidad para soportar y mantener corrientes a escala del superconductor . Los materiales magnéticos convencionales se magnetizan 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 si se tiene en cuenta que todos los demás métodos de magnetización de superconductores requieren la aplicación de una densidad de flujo magnético al menos tan alta como el campo final requerido. Esto no ocurre con el bombeo de flujo.

Una corriente eléctrica que fluye por un bucle de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin necesidad de una fuente de alimentación. En un conductor normal, una corriente eléctrica puede visualizarse como un fluido de electrones que se mueve a través de una densa red iónica . Los electrones colisionan constantemente con los iones de la red, y durante cada colisión, parte de la energía transportada por la corriente es absorbida por la red y convertida en calor , que es esencialmente la energía cinética vibracional 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 se debe a una fuerza de atracción entre electrones derivada 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 existe una cantidad mínima de energía ΔE que debe suministrarse para excitar el fluido. Por lo tanto, si ΔE 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 de pares de Cooper es, por lo tanto, un superfluido , lo que significa que puede fluir sin disipación de energía.

En una clase de superconductores conocidos como superconductores de tipo II , que incluye todos los superconductores de alta temperatura conocidos , aparece una resistividad extremadamente pequeña a temperaturas no muy inferiores a la transición superconductora nominal cuando se aplica una corriente eléctrica junto con un campo magnético intenso, posiblemente causado por la propia corriente eléctrica. Esto se debe al movimiento de vórtices en el superfluido electrónico, que disipa parte de la energía transportada por la corriente. Si la corriente es suficientemente pequeña, los vórtices permanecen estacionarios y la resistividad desaparece. La resistencia debida a este efecto es minúscula en comparación con la de los materiales no superconductores, pero debe tenerse en cuenta en experimentos sensibles.

Introducción

En el método aquí descrito, se barre un campo magnético a través del superconductor mediante una onda magnética. Este campo induce una corriente según la ley de inducción de Faraday . Mientras la dirección de la onda magnética sea constante, la corriente inducida siempre tendrá el mismo sentido, y las ondas sucesivas inducirán una corriente cada vez mayor .

Tradicionalmente, la onda magnética se generaba 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 ordenamiento magnético adecuada se calienta en su borde y la onda térmica resultante produce una onda magnética que, a su vez, magnetiza el superconductor . No debe confundirse una bomba de flujo superconductora con una bomba de flujo clásica, como se describe en la revisión de Van Klundert et al. [ 1 ] .

El método que se describe aquí tiene dos características únicas:

  • En ningún momento el superconductor se comporta de forma normal; el procedimiento simplemente modifica el estado crítico.
  • El estado crítico no se modifica mediante un imán móvil ni una matriz de solenoides , sino mediante un pulso térmico que modifica la magnetización, generando así vórtices en el material.

El sistema, tal como se describe, es en realidad un nuevo tipo de máquina térmica en la que la energía térmica se convierte en energía magnética .

Fondo

Efecto Meissner

En la superficie del superconductor fluye una corriente eléctrica persistente que excluye el campo magnético del imán. Esta corriente forma, en la práctica, un electroimán que repele el imán.

Cuando un superconductor se coloca en un campo magnético externo débil H , este penetra en el superconductor solo una pequeña distancia λ , denominada profundidad de penetración de London , y disminuye exponencialmente hasta cero en el interior del material. Este fenómeno se conoce como efecto Meissner y es una característica definitoria de la superconductividad. Para la mayoría de los superconductores, la profundidad de penetración de London es del orden de 100  nm.

El efecto Meissner a veces se confunde con el diamagnetismo que se esperaría en un conductor eléctrico perfecto: según la ley de Lenz , cuando se aplica un campo magnético variable a un conductor, este induce una corriente eléctrica que crea un campo magnético opuesto. En un conductor perfecto, se puede inducir una corriente arbitrariamente grande, y el campo magnético resultante anula exactamente el campo aplicado.

El efecto Meissner se distingue de esto porque un superconductor expulsa todos los campos magnéticos, no solo los que varían. Supongamos que tenemos un material en su estado normal, con un campo magnético interno constante. Al enfriar el material por debajo de la temperatura crítica, observaríamos la expulsión abrupta del campo magnético interno, algo que no se esperaría 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

∇2H=λ−2H{\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {H} =\lambda ^{-2}\mathbf {H} \,}

donde H es el campo magnético y λ es la profundidad de penetración de London.

Esta ecuación, conocida como la ecuación de London , predice que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente a partir del valor que posee en la superficie.

En 1962, investigadores de Westinghouse desarrollaron el primer cable superconductor comercial, una aleación de niobio y titanio , lo que permitió la construcción de los primeros imanes superconductores prácticos . Ese mismo año, Josephson realizó 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 aprovechado por dispositivos superconductores como los SQUID . Se utiliza en las mediciones más precisas disponibles del cuanto de flujo magnético.Φ0=h2mi{\displaystyle \Phi _{0}={\frac {h}{2e}}}y por lo tanto (junto con la resistividad cuántica de Hall ) para la constante de Planck h . Josephson fue galardonado con el Premio Nobel por este trabajo en 1973.

Ley de potencia E–J

El modelo más popular 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 asume resistividad cero y que la corriente siempre se induce en la corriente crítica. Un modelo más útil para aplicaciones de ingeniería es la denominada ley de potencia E-J, en la que el campo y la corriente están relacionados por las siguientes ecuaciones:

ρ=miJ{\displaystyle \rho ={\frac {E}{J}}\,}
mi=mi0∗(JJdo)norte{\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E_{0}} *\left({\frac {J}{J_{c}}}\right)^{n}\,}
ρ(J)=mi0∗(JJdo)norte−1Jdo{\displaystyle \rho (J)={\frac {E_{0}*({\frac {J}{J_{c}}})^{n-1}}{J_{c}}}\,}

En estas ecuaciones, si n = 1, el conductor tiene una resistividad lineal , como la que se encuentra en el cobre . Cuanto mayor sea el valor de n , más nos acercamos al modelo de estado crítico. Además, cuanto mayor sea el valor de n , mejor será el superconductor , ya que la resistividad será menor a una corriente determinada. La ley de potencia E-J puede utilizarse para describir el fenómeno de la 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, lo que finalmente conduce a campos muy estables.

Teoría

El potencial de las bobinas superconductoras y los dominios únicos de YBCO procesados ​​por fusión masiva para mantener campos magnéticos significativos a temperaturas criogénicas los hace particularmente atractivos para diversas aplicaciones de ingeniería, incluyendo imanes superconductores , cojinetes magnéticos y motores. Ya se ha demostrado que se pueden obtener campos intensos en muestras masivas de dominio único a 77 K. Existe un amplio abanico de posibles aplicaciones en el diseño de motores eléctricos de alta densidad de potencia.

Antes de poder crear tales dispositivos, es necesario superar un problema importante. Si bien todos estos dispositivos utilizan un superconductor como imán permanente y aunque el superconductor puede atrapar campos magnéticos potencialmente enormes (superiores a 10 T), el problema radica en la inducción de los campos magnéticos, lo cual se aplica tanto a materiales masivos como a bobinas que operan en modo persistente. Existen cuatro métodos posibles conocidos:

  1. Enfriamiento en el campo;
  2. Enfriamiento en campo cero, seguido de la aplicación lenta del campo;
  3. Magnetización por pulsos;
  4. Bombeo de flujo;

Cualquiera de estos métodos podría utilizarse para magnetizar el superconductor , y esto podría realizarse in situ o ex situ. Idealmente, los superconductores se magnetizan in situ.

Existen varias razones para ello: primero, si los superconductores se desmagnetizan debido a (i) la fluencia del flujo magnético, (ii) la aplicación repetida de campos perpendiculares o (iii) la pérdida de refrigeración, pueden remagnetizarse sin necesidad de desmontar la máquina. Segundo, existen dificultades para manipular material altamente magnetizado a temperaturas criogénicas durante el montaje de la máquina. Tercero, los métodos ex situ requerirían que la máquina se ensamblara en frío y previamente magnetizada, lo que presentaría importantes dificultades de diseño. Por lo tanto, hasta que se puedan preparar superconductores a temperatura ambiente, el diseño más eficiente de la máquina será aquel que incluya un dispositivo de magnetización in situ.

Los tres primeros métodos requieren un solenoide que pueda encenderse y apagarse. En el primer método, se requiere un campo magnético aplicado igual al campo magnético deseado, mientras que el segundo y el tercero requieren campos al menos dos veces mayores. El último método, sin embargo, ofrece ventajas significativas, ya que logra el campo final deseado mediante la aplicación repetida de un campo pequeño y puede utilizar un imán permanente.

Si deseamos generar un campo magnético pulsante utilizando, por ejemplo, un imán de 10 T para magnetizar una muestra de 30  mm × 10  mm, podemos calcular el tamaño necesario del solenoide. Si fuera posible enrollar una bobina adecuada con cinta de YBCO , suponiendo una I c de 70 A y un espesor de 100 μm, tendríamos 100 vueltas y 7000 vueltas de A. Esto produciría un campo B de aproximadamente 7000/(20 × 10 −3 ) × 4π × 10 −7 = 0,4 T. Para producir 10 T se requeriría una corriente pulsante de 1400 A. Un cálculo alternativo sería suponer una J c de, por ejemplo, 5 × 10 8 Am −1 y una bobina de 1  cm 2 de sección transversal. El campo sería entonces 5 × 10 8 × 10 −2 × (2 × 4π × 10 −7 ) = 10 T. Claramente, si el dispositivo de magnetización no ha de ocupar más espacio que el propio disco, se requeriría una corriente de activación muy alta y cualquiera de estas restricciones 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 potentes que se conocen. Se utilizan en equipos de resonancia magnética (RM) y resonancia magnética nuclear (RMN) , espectrómetros de masas , generación de energía magnetohidrodinámica e imanes de dirección de haz en aceleradores de partículas . También se pueden utilizar para la separación magnética , donde se extraen partículas débilmente magnéticas de un fondo de partículas menos magnéticas o no magnéticas, como en la industria de los pigmentos .

Están surgiendo otros mercados incipientes donde las ventajas relativas en cuanto a eficiencia, tamaño y peso de los dispositivos basados ​​en HTS compensan los costes adicionales que conllevan.

Entre las aplicaciones futuras más prometedoras se incluyen transformadores de alto rendimiento , dispositivos de almacenamiento de energía , transmisión de energía eléctrica , motores eléctricos (por ejemplo, para la propulsión de vehículos, como en trenes de vacío o trenes de levitación magnética ), dispositivos de levitación magnética y limitadores de corriente de falla .

Referencias

  1. ↑ LJM van de Klundert; et  al. (1981). "Sobre rectificadores totalmente conductores y bombas de flujo. Una revisión. Parte 2: Modos de conmutación, características e interruptores". Cryogenics : 267–277 .
  2. ↑ BD Josephson (1962). "Posibles nuevos efectos en el efecto túnel superconductor". Phys. Lett . 1 (7): 251– 253. Bibcode : 1962PhL.....1..251J . doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 .

Fuentes

  • Coombs, Timothy (2008). "Superconductores: la próxima generación de imanes permanentes" . Archivado del original el 29 de julio de 2024. Recuperado el 30 de julio de 2024 .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  • Qiuliang Wang et al., "Estudio de bombas de flujo tipo rectificador superconductor de onda completa", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 32, n.° 4, págs.  2699–2702, julio de 1996.
  • Coombs, Timothy (2007). "Un novedoso motor térmico para magnetizar superconductores" (PDF) .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  • Coombs, Timothy ; Hong, Z; Zhu, X (2007). "Una bomba de flujo superconductora accionada térmicamente". Physica C: Superconductivity . 468 (3): 153. Bibcode : 2008PhyC..468..153C . doi : 10.1016/j.physc.2007.11.003 .
  • LJM van de Klundert et al., "Sobre rectificadores totalmente conductores y bombas de flujo. 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 el bombeo de flujo", Cryogenics, págs.  195–206, abril de 1981.
  • Kleinert, Hagen , Campos de gauge en materia condensada , Vol. I, " SUPERFLUJO Y LÍNEAS DE VÓRTICE "; Campos de desorden , Transiciones de fase , págs.  1–742, World Scientific (Singapur, 1989) ; ISBN de la edición de bolsillo 9971-5-0210-0(También disponible para leer en línea: Vol. I, archivado el 27 de mayo de 2008 en Wayback Machine ).
  • Larkin, Anatoly ; Varlamov, Andrei, Teoría de las fluctuaciones en 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 (1.ª  ed.). Springer Series in Materials Science, vol. 110. ISBN 9783540766728.
  • Tinkham, Michael (2004). Introducción a la superconductividad (2.ª  ed.). Dover Books on Physics. ISBN 0-486-43503-2.
  • Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Física moderna (4.ª  ed.). WH Freeman . ISBN 0-7167-4345-0.
  • Publicaciones recientes