TREBALL DE RECERCA: SUPERCONDUCTIVITAT

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 el motor superconductor, i precisament he dissenyat i construït un motor superconductor, amb el seu posterior funcionament demostrat a un dels vídeos annexats.

Títol: La Superconductivitat i les seves Aplicacions
Autor: Ferran Vallès Pérez
Tutora: Rosa Maria Preckler
Centre: Escola Caret de Barcelona

Aquesta web ha estat realitzada per a la difusió del fenomen i els coneixements que n'he extret. Tan de bo us sigui de bon profit. Si cliqueu les imatges s'obren en dimensió més gran.

Qualsevol dubte o suggeriment: ferranvalles@gmail.com

Gràcies!!

0. ÍNDEX

1. JUSTIFICACIÓ

2. OBJECTIUS

3. METODOLOGIA

4. ESTUDI TEÒRIC DE LA SUPERCONDUCTIVITAT

4.1. LA SUPERCONDUCTIVITAT I ELS EFECTES PRINCIPALS

4.1.1. Introducció

4.1.2. Estructura atòmica

4.1.3. Característiques elèctriques

4.1.4. Efectes Principals

4.1.4.1. Efecte Joule

4.1.4.2. Efecte Meissner

4.1.4.3. Efecte Túnel

4.1.4.4. Efecte Josephson

4.1.5. Factors condicionants de l’estat superconductor

4.1.5.1. La temperatura

4.1.5.2 La densitat de corrent

4.1.5.3 El camp magnètic

4.2. HISTÒRIA DE LA SUPERCONDUCTIVITAT

4.2.1. La fita del zero absolut

4.2.2. La liquació de l’heli

4.2.3. Descobriment de la superconductivitat

4.2.4. Revolució Científica

4.2.5. Descobriment de la superconductivitat d’alta temperatura

4.2.6. Cronologia de la superconductivitat

4.3. MATERIALS SUPERCONDUCTORS

4.3.1. Tipus de superconductors

4.3.1.1. Superconductors de tipus I

4.3.1.2. Superconductors de tipus II

4.3.2. Llista de Superconductors

4.3.2.1. Llista de Superconductors tipus I

4.3.2.2. Llista de Superconductors tipus II

4.3.3. Els Superconductors a la Taula Periòdica

4.4. Gasos Liquats

4.4.1. Nitrogen líquid

4.4.1.1. Característiques principals:

4.4.1.2. Aplicacions del Nitrogen líquid:

4.4.1.3. Pràctiques amb el Nitrogen líquid

4.4.2. Hidrogen líquid

4.4.2.1. Característiques principals:

4.4.2.2. Aplicacions de l’Hidrogen líquid:

4.4.3. Heli líquid

1.4.3.1. Característiques principals:

1.4.3.2. Aplicacions de l’Heli líquid

4.4.4. Emmagatzematge (Dewar)

4.5. Superconductivitat d’Alta Temperatura (SCAT)

4.5.1. Aspectes principals

4.5.2. Canvi que comporta en l’estudi i les aplicacions de la superconductivitat

4.6. Teories de la Superconductivitat

4.6.1. Teoria fenomenològica de la Superconductivitat Ginzburg-Landau

4.6.2. Teoria microscòpica de la Superconductivitat BCS

4.6.3. Comparació i conclusions

4.7. EL MAGNETISME EN ELS SUPERCONDUCTORS

4.7.1. Característiques magnètiques del fenomen (funció dels vòrtexs)

4.7.2. Demostració de l’efecte Meissner i el flux atrapat per passos

4.7.3. Observació - Decoració dels Vòrtexs a través d’un microscopi

5. LES APLICACIONS DE LA SUPERCONDUCTIVITAT

5.1. MOTORS I GENERADORS SUPERCONDUCTORS, FABRICACIÓ D’UN MOTOR SUPERCONDUCTOR

5.1.1. Funcionament

5.1.2. Avantatges i inconvenients respecte un motor convencional

5.1.3. Construcció d’un Motor SC

5.1.3.1. Elecció/Projecte/Càlculs

5.1.3.2. Disseny i obtenció de les peces i altres elements

5.1.3.3. Construcció i obtenció peces

5.1.3.4. Muntar el sistema

5.1.3.4. Posar-ho en funcionament

5.2. ELS CABLES SUPERCONDUCTORS

5.2.1. Característiques dels cables SC

5.2.2. Tècnica PIT.

5.2.2. Coated Conductors.

5.3. Altres Aplicacions

5.3.1. Tren de levitació Magnètica

5.3.2. Limitador elèctric

5.3.3. Roda d’inèrcia

5.3.5. Ressonància Magnètica (MRI)

5.3.4. SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)

5.3.6. Interconnexions electròniques

5.3.8. Fusió Nuclear

5.4. Situació de la Superconductivitat avui en dia, i previsions pel futur

5.4.1. Entrevista a Teresa Puig

6. CONCLUSIONS

7. BIBLIOGRAFIA

8. AGRAÏMENTS

1. JUSTIFICACIÓ

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.

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!

2. OBJECTIUS

El 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 (i també en algun cas pràctics) que realitzaré en aquesta fase:

1. 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.
2. 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.
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 entre els dos tipus. També intentar trobar els valors crítics d’aquests elements, en el qual perden la resistència i es tornen superconductors.
4. Com que el mètode més eficaç per arribar a temperatures tant baixes és liquar gasos com l’heli o el nitrogen, m’agradaria explicar quin és el procés per a liquar-los. També m’agradaria parlar de les característiques principals d’aquests gasos en estat líquid. També m’agradaria parlar sobre la conservació tèrmica mitjançant el Termo, i centrar-me en el cas del Nitrogen líquid, fent pràctiques també si pot fer.
5. Analitzar les dues teories de la superconductivitat (la teoria de Ginzburg-Landau i la teoria BCS), comparar-les, i extreure’n conclusions.
6. 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.
7. Centrar-me en l’apartat de magnetisme, esbrinar quines són les característiques magnètiques d’un superconductor, arribar a entendre quina és la funció dels vòrtexs en els superconductors i comprovar l’efecte Meissner amb una demostració pràctica.

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. Analitzaré el fet d’utilitzar-los per construir motors i generadors elèctrics. En aquest apartat també penso construir un motor i extreure’n conclusions comparant-lo amb un motor convencional.
2. Dedicar-me a l’estudi de l’aplicació més directe, que és la creació de cables fets amb materials superconductors, que proporcionarien més corrent amb menys cost. També caldrà observar com es fan aquests cables (tècnica PIT i “coated conductors”). Analitzar també en quins països s’utilitza aquest cablejat superconductor.
3. Informar-me sobre una de les aplicacions més espectaculars de la superconductivitat, que és el tren de levitació magnètica que funciona mitjançant un sistema que utilitza superconductors. És important aclarir quins són els trens d’aquest tipus que circulen avui en dia pel món i els projectes que s’estan realitzant.
4. Ja no tant a fons, m’agradaria parlar de moltes altres aplicacions que tenen els superconductors: limitador de corrent, roda d’inèrcia, ressonància magnètica (molt utilitzat avui en dia), SQUID, interconnexions electròniques, separadors magnètics, fusió nuclear, etc.
5. Ja finalitzant, m’agradaria parlar sobre la situació de recerca científica de superconductivitat que hi ha avui en dia, la inversió dels estats i empreses, i la visió que s’espera sobre el futur d’aquest fenomen d’investigació.
6. Per acabar, també utilitzant els meus coneixements informàtics, m’agradaria realitzar i penjar una web on pogués exposar el treball.

3. METODOLOGIA

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.

- L’exposició “la màgia dels superconductors”: va ser una exposició organitzada per universitaris i professors de tota Europa on vaig assistir dos cops (concretament a Terrassa). Allà vaig obtenir molta informació que em servirà pel treball.

- Ajuda de doctors i professors: com que és un treball d’àmbit científic i avui en dia hi ha persones que es dediquen a la investigació d’aquest fenomen, serà essencial contactar amb algú d’aquests per tal de demanar ajuda i orientació. En aquest cas una de les millors opcions és contactar amb professors del centre ICMAB (Institut de Ciències Materials de Barcelona), que és el principal departament d’investigació en Superconductivitat a Barcelona.

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.

- Per a la creació del motor, caldrà el material necessari. Tot el que sigui peces, cablejat i connexions ho penso aconseguir en botigues o algun centre on m’ho prestin. La pastilla superconductora es pot aconseguir d’algun centre de superconductivitat o d’una empresa que en fabriqui; i el nitrogen líquid, és pot aconseguir també en un centre o fins i tot en un hospital.

- La informació per tal de saber com dur a terme la part pràctica es pot obtenir de persones que ja hagin fet aquest experiment anteriorment o de professors que tinguin coneixement del projecte.

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.

- Explicar quin ha estat el procés històric i l’evolució fins l’actualitat: posar diferents apartats sobre les diferents etapes principals de la superconductivitat i fer una llista cronològica amb els esdeveniments més importants.

- Centrar-me en el cas del Nitrogen líquid: visitar el centre CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) i fer pràctiques amb el nitrogen líquid, extraient-ne les conclusions necessàries.

- Analitzar les dues teories de la superconductivitat: com que són teories del passat, puc esbrinar on està el error i comparar-les.

- Entendre quina és la funció dels vòrtexs: hi ha persones que es dediquen únicament a l’observació dels vòrtex d’un superconductor. M’agradaria esbrinar quin és el mecanisme que utilitzen per observar-lo i obtenir una explicació exacte de la funció dels vòrtex.

- Construcció del motor: ha de ser la part més elaborada del treball. Primer de tot necessitaré dissenyar-lo mitjançant programes informàtics com el Solidworks o Autocad. Un cop dissenyat, aconseguiré les peces demanades en un taller. Més tard caldrà plantejar com muntaré el circuit per on circularà la electricitat i de quin tipus ha de ser, això comporta saber si necessitaré eines com transformadors, determinats cables i altres aparells electrònics. Per finalitzar, i després d’haver fet diverses comprovacions auxiliars, el motor transformarà l’energia elèctrica que rep en energia mecànica (en una pastilla superconductora levitant giratòria).

- 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.

- Per a la realització de la web utilitzaré els meus coneixements informàtics utilitzant el Dreamweaver o potser la utilització d’un “Blog”.