Figura 3.28 Variación del Tc con la posición en la tabla periódica
Se ha intentado establecer otras reglas empíricas para la aparición de la superconductividad: ningún superconductor posee un número de columna promedio menor de dos; no existen superconductores que sean aisladores por encima de Tc, pocos que sean semiconductores, y no se da o es rara la superconductividad en materiales ferro y antiferromagnéticos, si bien esto último no está completamente establecido.
3.3.7.3. Fenómenos magnéticos en los superconductores
Son tan notables las propiedades magnéticas de los superconductores como las propiedades eléctricas. Existen varios problemas asociados con el uso industrial de superconductores y relacionados con el comportamiento magnético de los mismos. Cuando un superconductor como el Hg, que pertenece a los llamados superconductores del tipo i, es colocado en un campo magnético, se inducen en aquel corrientes que producen, a su vez, otro campo magnético, que cancela por entero al campo aplicado. De este modo, un superconductor tipo i es un diamagnético perfecto, siendo la densidad de flujo B, cero dentro de la probeta (B = 0, o sea M = –H). Este efecto es llamado efecto Meissner y estado Meissner al diamagnetismo perfecto dentro de la muestra (véase figura 3.29).
Solo en 1957, con la teoría principal que existe sobre la superconductividad —la llamada teoría BCS (por John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer)—, se vino a dar una explicación aceptable del fenómeno. Si bien esto se sale de los alcances de este texto, una interpretación elemental de ella es que por debajo de Tc, una fracción limitada de electrones de conducción con energías iguales o cercanas a la de Fermi entran en un estado que implica pares de electrones correlacionados. Asociado con esta correlación, habría una pequeña abertura de la energía del sistema del orden de kTc, así que una vez superada esta temperatura, la energía térmica es lo bastante fuerte como para romper completamente este ordenamiento de los pares de electrones.
Figura 3.29 El efecto Meissner. En estado de superconducción, el campo magnético es expulsado de la muestra, para superconductores tipo i y para los del tipo ii en campos bajo Hc.
Como se ha establecido, el campo crítico tiende a decrecer con la temperatura, y como, además, el campo magnético producido por una corriente que fluye en el superconductor puede actuar como un campo externo aplicado, un superconductor tipo i tiene una habilidad limitada para conducir corriente. Por eso es necesario hablar de otro tipo de superconductor, el tipo ii o tipo duro. Estos, normalmente aleaciones o compuestos intermetálicos, pueden soportar campos magnéticos mucho mayores y conducir corrientes mucho más fuertes. El comportamiento se ilustra en la figura 3.30.
Como se ve, el superconductor tipo ii tiene comportamiento similar al tipo i hasta una fuerza de campo Hcl (o campo crítico inferior). Por encima de este valor, el flujo empieza a penetrar la muestra, aunque solo en forma parcial: podría pensarse que esta penetración se da únicamente a lo largo de una serie de caminos cilíndricos, como se esquematiza en la figura 3.31. Al llegar a Hc2, o campo crítico superior, la magnetización desaparece y la muestra se vuelve normal.
Debe recalcarse que la corriente superconductora solo se presenta en la parte penetrada por el campo. O sea que los superconductores tipo i apenas la tendrán en la superficie o en un pequeño intervalo de penetración.
Las curvas de magnetización de la figura 3.31 son reversibles para los superconductores ideales, sean del tipo i o ii. Por eso, en cualquier punto de las curvas de la figura 3.31, la magnetización es independiente del historial del campo y de la temperatura antes de llegar a ese punto, lo que no ocurre en los superconductores no ideales, que se comportan irreversiblemente.
Figura 3.30 Representación de la curva de magnetización de un superconductor, a. tipo i, b. tipo ii.
Figura 3.31 Representación esquemática de la penetración de flujo de un superconductor del tipo ii
En resumen, el estado mixto (normal y de superconductividad) que existe entre Hcl y Hc2 requiere algún tipo de acción de amarre para mantener en su lugar las líneas de flujo o manojo de líneas de flujo magnético (las que, junto con el vértice hacia el que se cierra, se denominan flujoides). Si se pierde esta acción sujetadora, la estructura mostrada en la figura 3.31 se desintegrará. La acción de amarre puede originarse, entre otras causas, en las variaciones de composición química de las aleaciones superconductoras, o en la distribución no uniforme de las deformaciones plásticas de la muestra.
Como ejemplo del uso de los superconductores, además de lo ideal que sería la transmisión de la energía eléctrica sin pérdidas, se tiene el de los solenoides de magnetos de gran potencia de campos; estos grandes campos se requieren en dispositivos como detectores de máser, láser e infrarrojos. Los transformadores permanentes son con frecuencia demasiado voluminosos y pesados, y si se usan transformadores con núcleo de aire se tienen pérdidas muy altas, así que es obvia la ventaja de los superconductores en estos usos. Otras aplicaciones se han ideado y están en vías de desarrollo, aunque ya se sabe de las dificultades técnicas inherentes (Padamsee, 2009).
1 Véase, en el capítulo anterior, el apartado “2.2.4. El pozo de potencial”.
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La picoestructura de los metales
Las fuerzas de enlace en los sólidos y propiedades ópticas
4.1. Las fuerzas de enlace en los sólidos
El concepto de enlace químico apareció desde la Antigüedad, al mismo tiempo que la noción de átomo. Desde que se admitió la existencia de partículas elementales era necesario imaginar una fuerza capaz de unirlas, a fin de asegurar la cohesión de la materia. Demócrito imaginó sus átomos provistos de garfios para mantenerlos unidos. Así, siguiendo con las teorías de los mineralogistas y químicos de los siglos xviii y xix, se llegó a las teorías atómicas de los albores del siglo xx, cuando se dieron bases firmes al entendimiento de la naturaleza de las fuerzas interatómicas.
El desarrollo del análisis estructural con rayos X arrojó una nueva luz sobre el asunto: se demostró que no había distinción esencial entre las fuerzas “químicas” que unen los átomos en las moléculas y las fuerzas “físicas” que dan coherencia a todo el sólido, y que, en la mayoría de los compuestos simples, la molécula como tal no tiene existencia en el estado sólido.
En resumen, se llegó, luego del estudio de las estructuras de muchos tipos de sólidos, a establecer el papel dominante de las fuerzas interatómicas en la determinación del ordenamiento estructural, y que esas fuerzas se pueden dividir convenientemente en cuatro tipos distintos:
Enlace iónico, electrovalente, interpolar o polar. Fuerza de atracción electrostática que opera entre iones de carga opuesta.
Enlace covalente u homopolar. Enlace químico de valencia normal, como el de los átomos en la molécula de Cl, o entre los átomos de C y Cl en una molécula de tetracloruro de carbono (CCl4).
Enlace metálico. Fuerza interatómica responsable de la cohesión en los sistemas metálicos en estado sólido.
Enlace residual o de Van der Waals. Fuerza débil de atracción interatómica que opera entre todos los átomos e iones en todos los sólidos.
Debe anotarse que la distinción entre estos cuatro tipos de enlaces de ninguna manera es absoluta y que, en muchos cristales, los enlaces poseen un carácter intermedio, exhibiendo algo de las propiedades de dos o más tipos.
Otra consideración importante es que en muchas estructuras pueden operar dos o más tipos diferentes de enlace simultáneamente entre átomos distintos. Se sabe que en la estructura de casi todos los