Los fenómenos que exhibe la materia a temperaturas bajas, es decir, a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.2° C ó 0° K), son numerosos y diversos. A estas temperaturas las propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas de muchas sustancias experimentan grandes cambios y, ciertamente, el comportamiento de la materia puede parecer extraño y exótico en comparación con el que muestra a temperaturas ordinarias. Sin duda, entre estos fenómenos, los dos más extraordinarios e importantes son la superconductividad y la superfluidez.
Superfluidos
Esta propiedad fue descubierta por Kapitsa, Allen y Misener y se conoce también como hidrodinámica cuántica. Es un Condensado de Bose-Einstein (pasamos de tener un conjunto de partículas que se comportan individualmente y moviéndose a distintas velocidades, a tener un condensado de partículas, cuyo movimiento pasa a ser colectivo y ordenado frente a excitaciones externas) y se trata de un estado de la materia caracterizado por la total ausencia de viscosidad, de tal manera que, en un circuito cerrado, fluiría indefinidamente, sin fricción.
Misener Allen Kapitsa
Este fenómeno se produce a temperaturas cercanas al cero absoluto, pero solamente se ha comprobado con el helio, puesto que todos los demás materiales se congelan a estas temperaturas. El helio se licua a 4.2º K pero no llega a solidificarse independientemente de cuánto se disminuya su temperatura. En otras palabras, si fuera posible alcanzar el cero absoluto, observaríamos que el helio nunca se congela y siempre permanece en su fase líquida, a presión atmosférica. Esta es su propiedad más importante y la cual da lugar a la superfluidez. Si al helio ya licuado se le sigue bajando la temperatura, al llegar a los 2,19º K el helio permanece líquido pero en un nuevo estado denominado helio II (para distinguirlo del helio anterior o helio I).
Se comprobó que el helio II transportaba el calor unas 200 veces más rápido que el cobre y esto se debe a que el helio II se mueve con extraordinaria facilidad, sin viscosidad o resistencia interna.
Está propiedad también se comprobó con el siguiente experimento:
Si tomamos un tubo de ensayo vacío, enfriado a una temperatura inferior a 2.19º K, y lo sumergimos parcialmente en un recipiente que contiene helio-II, observaremos que el helio trepa por las paredes exteriores del tubo y penetra en él hasta que el nivel de helio-II en el interior del tubo es igual al nivel del recipiente (Figura a). Pero cuando se eleva el tubo de manera que esté fuera del recipiente, el helio realizará el efecto contrario y reptará en sentido inverso escalando las paredes interiores y saldrá del tubo reptando por sus paredes exteriores hasta llegar al extremo inferior del tubo desde donde goteará al recipiente (Figuras b y c).
En este vídeo, se puede observar como el helio líquido al enfriarse por debajo del punto lambda (momento en que cesa de burbujear y pasa de He I a He II) se transforma en un superfluido.
Entre las increíbles características que muestra el helio superfluido está la de gotear a través del fondo del receptáculo de cristal. En este estado, el helio carece casi por completo de viscosidad y es capaz de fluir a través de los diminutos poros del cristal del vaso de precipitados.
Más tarde se aprecia como el helio superfluido desafía a la gravedad ascendiendo por las paredes de una semiesfera gracias a las fuerzas de capilaridad. Como la viscosidad del líquido es prácticamente cero, el helio puede crear películas de un solo átomo de espesor y vencer de este modo a la gravedad, ascendiendo hasta alcanzar el borde de la semiesfera.
Finalmente en el vídeo se muestra el conocido como “efecto fuente“. Gracias a la ausencia de fricción, el Helio superfluido es capaz de fluir a través de pasajes microscópicos. Para presenciar el fenómeno hay que contar también con el He I. La fuente se produce cuando existe un flujo de He I entre dos zonas de diferente presión, lo cual crea un “surtidor” que va desde la zona de alta presión hacia la baja. La particularidad de esta fuente es que puede fluir eternamente (siempre que se mantengan las condiciones del experimento).
Cualquier fluido que moja una superficie, forma una película delgada, pero en el caso de los fluidos ordinarios su viscosidad es tal, que la película se forma lentamente y fluye muy poco. En cambio, con el helio-II la película se forma muy rápido y, como su viscosidad es nula, se mueve a una velocidad considerable de 30 cm o más por segundo.
En cuanto a las aplicaciones del He superfluido está principalmente su uso como un líquido criogénico altamente refrigerante. Se emplea en todos los laboratorios donde se generan bajas temperaturas por debajo de 1 ºK, ya que mezclado con He3 permite alcanzar temperaturas de algunos mK. Otra de las aplicaciones más llamativas del He superfluido es su utilización para la realización de experimentos espaciales. En este caso se emplea He3 superfluido a temperaturas del orden de 0.1 mK. Cuando un neutrón impacta sobre un átomo de He3 se produce una fisión del He que da a lugar a un protón y a un átomo de tritio, junto con la liberación de energía.
Superconductores
Al aplicar una diferencia de potencial en un metal, se produce un movimiento de los portadores de carga que conforma una corriente eléctrica. Esta corriente será mayor cuanto menor sea la resistencia eléctrica del material, y viceversa. Esto es lo que se conoce como la Ley de Ohm, que indica que la resistencia es el coeficiente de proporcionalidad entre el voltaje y la corriente eléctrica de un material conductor.
Puede tenerse una imagen sencilla de su origen para el caso de los metales (que tienen cargas eléctricas libres, a diferencia de los semiconductores o de los aislantes) si consideramos que al desplazarse por el material las cargas eléctricas van chocando con imperfecciones de la red cristalina o con iones que se encuentran vibrando fuera de su posición de equilibrio. De esta manera, cuantos más choques experimenten las cargas, más les costará avanzar en el material y, por lo tanto, mayor será la resistencia eléctrica. Como justamente la temperatura corresponde a una medida de las vibraciones mencionadas, resulta natural esperar que al incrementar la temperatura tengamos una mayor resistencia eléctrica como consecuencia de una mayor cantidad de choques, favorecidos por el incremento de las vibraciones de los iones y, por lo tanto, de las imperfecciones de la red cristalina.
Electrones superconductores (líneas
onduladas en la parte superior de la figura)
interaccionan en forma ordenada con
los átomos de un cristal (círculos negros).
Los electrones ordinarios son desviados
por los átomos (parte inferior de la figura).
La superconductividad es la capacidad que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. La resistencia eléctrica de un superconductor desciende casi a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica, que es la temperatura a partir de la cual, si se sigue enfriando una sustancia, el material se vuelve superconductor; es decir, deja de tener resistencia eléctrica. Así, una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Este fenómeno ocurre en gran cantidad de materiales como:
· Elementos puros: estaño, aluminio, mercurio, plomo.
· Aleaciones: silicio-vanadio, silicio-galio, niobio-germanio, niobio-estaño.
· Materiales orgánicos: fulerenos, nanotubos.
· Cerámicos: bicloruro de magnesio, itrio-bario-óxido de cobre.
Debido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad, se suele utilizar helio líquido para enfriar los materiales, lo que supone un montaje muy costoso y complejo, por lo que se utiliza en muy contadas ocasiones para construir electroimanes muy potentes para aparatos de Resonancia Nuclear Magnética.
Actualmente, se están investigando superconductores de alta temperatura que se pueden enfriar con nitrógeno líquido, lo que les hace mucho más baratos. El problema de estos materiales es que son cerámicos y poco apropiados para fabricar cables, puesto que admiten poca deformación.
Las aplicaciones de estos superconductores en el futuro van desde la mencionada Resonancia Nuclear Magnética en medicina hasta el transporte en trenes Maglev de levitación magnética o dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica para motores eléctricos.
Bibliografía:
excelente
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