Preguntas de concepto general sobre superconductores

Question

Estaba pensando en construir un motor eléctrico utilizando superconductores y tengo algunas preguntas de concepto general en cuanto a cómo el comportamiento podría ser diferente de los cables ordinarios.

1. El efecto Meissner, la expulsión de los campos magnéticos del superconductor. Si se construye un solenoide de hilo superconductor, ¿cambia este efecto Meissner significativamente el patrón de campo en comparación con un solenoide de hilo normal?

2. Si se crea un solenoide a partir de un hilo superconductor, ¿está la corriente limitada a la magnitud del campo magnético que crea, porque si la intensidad del campo magnético es demasiado grande hará que el superconductor vuelva a un estado no superconductor?

3. Si tienes un cable superconductor con una corriente fluyendo a través de él y lo expones a un campo magnético, ¿sigue experimentando una fuerza (obedeciendo las mismas reglas que un cable normal con flujo de corriente) o debido al efecto Meissner el campo magnético nunca llega a los portadores de corriente y por lo tanto no se experimenta ninguna fuerza? ¿O sólo se experimenta una fracción de la fuerza esperada porque el campo magnético no penetra a través de todos los portadores de corriente?

4. Si tienes dos o más tiras de cinta superconductora apiladas una encima de otra con corriente fluyendo en la misma dirección a través de ellas y luego tienes una sonda de intensidad de campo magnético y sondeas el espacio por encima de la pila, ¿sería el campo sólo la suma de cada tira o el efecto Meissner en las tiras más cercanas a la superficie superior causaría un apantallamiento magnético de las tiras inferiores y así la intensidad real del campo magnético cerca de la superficie de la tira superior sería menor que la suma de los campos magnéticos de cada tira que transporta corriente?

5. ¿Es el flujo de corriente en un superconductor sólo un efecto de superficie? (yo pensaba que sí) ¿Por qué he visto que una empresa vende cables en 3D? ¿son realmente pilas aisladas en 2D?

6. ¿Es la única manera de hacer que un bucle de superconductor funcione con una corriente continua es por inducción?

Gracias por leer y gracias de antemano por cualquier respuesta.

Answer 1

Para la pregunta número cinco, la respuesta es que depende del tipo de superconductor. En el caso de los superconductores de tipo I, lo ideal es que los portadores superconductores sólo recorran la superficie del material en una capa denominada profundidad de penetración de London. En el caso de los superconductores de tipo II, los portadores comienzan en la superficie, pero al final pueden utilizar todo el volumen. Existe un modelo matemáticamente preciso de esto llamado modelo de Bean. Básicamente, cuando cada capa del superconductor alcanza su campo crítico, (o corriente crítica), la siguiente capa comienza a transportar corriente. El diagrama 1 a continuación se describe brevemente el modelo.

Referencias 1. Bean, C., "Magnetization of High-Field Superconductors", Rev. Mod. Phys, 36 , (1964), 31

Answer 2

Axawire, puedo responder a algunas de estas preguntas, aunque no a todas (no sé las respuestas a la 4 y a la 6), acabo de hacer un curso sobre este tema ^^

1. El campo no cambiará significativamente fuera del solenoide; la solución de las leyes de Maxwell será la misma si se utiliza un superconductor o cualquier otro material. Sin embargo, el campo será muy diferente en el interior de los hilos. Además, hay que tener en cuenta que la magnetización en un superconductor sigue un bucle de histéresis si se pretende utilizar campos magnéticos sintonizables.

2. Sí, está limitado a esta corriente máxima, que suele llamarse "corriente crítica". Para tener una buena estimación de esta cantidad, considera que el solenoide que vas a construir no es infinitamente grande, por lo que tienes que calcular cuidadosamente el campo magnético resultante en la superficie del solenoide, que podría ser significativamente mayor que en el centro.

3. El solenoide experimentará una fuerza. Dado que los cables superconductores pueden transportar mucha más corriente que los normales, producen campos magnéticos mucho más fuertes, por lo que la fuerza resultante experimentada por el solenoide será enorme; si no tomas suficientes previsiones, tu solenoide puede romperse incluso con la fuerza autoinducida.

4. La corriente se concentrará en una fina capa en la superficie superconductora, aunque generalmente presenta una profundidad finita dependiendo del material concreto. Con algunos materiales se pueden construir hilos cilíndricos, y con otros materiales hay que hacer tiras. No conozco la diferencia entre los distintos hilos comercializados, pero podría estar relacionada con esto.

Espero que estos consejos sean útiles.

Answer 3

Para responder a la sexta pregunta, es muy común utilizar lo que suele denominarse "calentador de conmutación" o "interruptor persistente" para producir una corriente persistente en los imanes superconductores.

La bobina superconductora está conectada en cada uno de sus extremos a unos cables que van a una fuente de alimentación para poder conducir una corriente a través de la bobina. Además, cada extremo de la bobina está conectado a través de una pequeña porción de superconductor que se mantiene en estado normal mediante un calentador. Se conduce una corriente a través de la bobina con el calentador encendido hasta que se haya producido un campo magnético de la intensidad deseada. Al apagar el calentador, se cortocircuitan los cables de la fuente de corriente y se crea un bucle superconductor aislado a través del cual la corriente seguirá persistiendo. A continuación, se puede desconectar la fuente de alimentación. Nunca he visto un imán superconductor que no lleve un interruptor de este tipo.

Probablemente debería añadir que, en la práctica, el campo no durará siempre y estará sujeto a la habitual constante de tiempo inductiva. Hay una resistencia debida al movimiento del flujo que puedo elaborar si lo desea.