Cerámicas funcionales

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Sensores

Comportamiento piezoelectrico.

Fenómeno que sufren ciertos materiales en los cuales se induce una caída de tensión al someterlos a una deformación.
Otra característica de estos sensores de cristal es que la señal generada por el cristal decae rápidamente.

Materiales.

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría

Carácter piezoeléctrico de forma natural:	Cuarzo turmalina
Ferroeléctricos:	Presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización

Aplicaciones en sensores.

Fuentes de alta tensión	La piezoelectricidad directa de algunas sustancias como el cuarzo, puede generar diferencias de potencial de miles de voltios.	Encendedor eléctrico de cigarros Transformador piezoeléctrico.
Sensores piezoeléctricos	La señal eléctrica resultante puede medirse como una indicación de la presión que se aplica al cristal.	Sensores de presión
Sensores de choque	En este sensor, el elemento piezoeléctrico produce un voltaje que es proporcional a la aceleración de un impacto o una vibración a la que se expone	Sensores de impacto Sensores de vibración

Comportamiento semiconductor.

Los portadores de carga se crean gracias a posiciones sin oxígeno que hacen las veces de donantes. Cuando el oxígeno se aproxima, las posiciones vacías se ocupan reduciendo así la cantidad de portadores libres. Los iones de oxígeno no son quienes proveen conductividad, sino que por el contrario el oxígeno reduce la cantidad de portadores vacíos. Cuando la concentración de oxígeno es alta, el material del sensor adquiere una resistencia alta.

Materiales.

Dióxido de Zirconio (Zirconio)

Aplicaciones en sensores.

Sensores de oxigeno (sensores Lambda en automóviles

Sensor situado en el sistema de evacuación de gas que ayuda a la hora de regular el factor óptimo entre combustible y aire. La medición se basa en la cantidad de oxígeno restante en el gas evacuado por el tubo de escape.

Comportamiento destelleante. Crystal scintillators.

Emisión de partículas de baja energía, como pueden ser fotones, al ser golpeados por otras de alta carga energética.

Materiales.

Sales de haluros alcalinos (Yoduro de Sodio, NaI, o Yoduro de Cesio, CsI)
Activadores: impurezas añadidas para fomentar dichocomportamiento.

Detectores de NaI(Tl)	Cristal de yoduro de sodio con un activador de talio.
Detectores de CsI(Na)	Cristal de yoduro de cesio con un activador de sodio.

Aplicaciones en sensores.

Detectores de Rayos Gamma o Rayos X

Estos rayos llevan ciertas partículas cargadas que interactúan con el cristal y se emiten fotones. La medición de estos es más sencillo que la detección de de las partículas cargadas originales.

Cerámicas ferrimagnéticas

Existen diferentes tipos de materiales magnéticos:

• Diamagnéticos
• Paramagneticos
• Ferromagneticos
• Antiferromagneticos y ferrimagneticos.

Introducción a los materiales ferrimágneticos

El ferrimagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos los momentos magnéticos de modo que no todos los momentos están alineados en la misma direccion y sentido. Algunos de ellos son opuestos y se anulan entre sí. Estos momentos que se anulan entre sí están dispuestos aleatoriamente y por lo tanto, no consiguen anular por completo la magnetización espontánea.

Los materiales ferrigmagnéticos se caracterizan por tener un momento magnético neto generado por su estructura iónica. Como grupo, los materiales ferrimagnéticos se denominan ferritas.

En cuerpos con número impar de electrones, la interacción entre los momentos de spin de átomos próximos, en ausencia de campo magnético, tiende a orientar la mitad de los momentos de spin en un sentido, y la otra mitad en sentido contrario, como podemos ver en la figura siguiente. Queda una magnetización residual en el dominio debido a que las magnitudes de los momentos antiparalelos son distintas.

(a) Ferromagnético, (b) Antiferromagnético, (c) Ferrimagnético

• Su nombre común es ferritas.
  
• Las ferritas son materiales óxidos magnéticos de baja conductividad eléctrica cuyo principal constituyente es el hierro y cuyos átomos forman una estructura cristalina que les dota de propiedades de anisotropía en su permeabilidad magnética.
  
• Puede decirse que tienen alguna similitud con los ferromagnéticos, al poseer una magnetización neta en los dominios, MS (magnetización de saturación) en ausencia de campo magnético, aunque debida a un mecanismo diferente.
  
• Esta magnetización neta desaparece por encima de una temperatura crítica o punto de Curie (200 a 500 º C), a partir de la cual el material se comporta como paramagnético.
  

Fabricación de ferritas

Las ferritas son compuestos de óxido férrico, cuya fórmula básica es (XO)m(Fe2O3)n, siendo X un ión, generalmente divalente, como: cadmio, cobalto, cobre, hierro, manganeso, magnesio, níquel, zinc o alguna tierra rara.

El proceso de producción de los materiales de ferrita comienza con la mezcla de las exactas proporciones de los materiales base.

Estos compuestos se mezclan (mezcla gruesa) y se muelen hasta que las partículas alcanzan un tamaño y una distribución determinados.

Este polvo (mezcla fina) se introduce en un horno de alta temperatura (típicamente 1200º) en donde tienen lugar la mayoría de las reacciones químicas que dan lugar al material de ferrita final.

A esta mezcla se le da forma mediante compresión o extrusión.

El polvo de ferrita se coloca en otro horno para lograr su compactación final (entre 1300º y 1500º) y así se consigue el material duro final.

Posteriormente la ferrita se mecaniza, si es necesario, empleando fresado con ruedas de diamante y se refrigeran con líquido los puntos de contacto de la pieza.

Tipos de ferritas

Las ferritas se clasifican habitualmente en granates, espinelas y ferritas hexagonales. Las granates y espinelas tienen una estructura cristalina cúbica y resultan de gran aplicación entre 1 y 35 GHz. Las ferritas hexagonales se emplean como imanes permanentes o núcleos magnéticos blandos en baja frecuencia.

• Granates

Reciben este nombre porque cristalizan como el granate (Ca3Fe2 (SiO4)3).
El granate de Hierro e Itrio, YIG, (Y3Fe5O12) es el más conocido de la familia de los granates debido a su importancia como material para aplicaciones de microondas.
El YIG puro posee una magnetización de saturación nominal en el rango entre 1700 y 1800 Gauss (mide densidad de flujo magnético) y una temperatura de Curie de aproximadamente 280 ºC.
Los diferentes valores de magnetización se realizan mediante sustituciones en el granate de hierro
Poseen resistividades eléctricas muy altas.

• Espinelas

Se llaman así porque cristalizan de la misma forma que la espinela (MgAl2O4).
La más conocida es la magnetita (FeO Fe2O3).
Históricamente, el uso de las espinelas es anterior al de los granates.
La principal ventaja del empleo de las espinelas es su mayor magnetización de saturación (hasta 5000 Gauss) con respecto a los granates (hasta 1950 Gauss).
Existen tres tipos principales según sea el metal divalente: magnesio, níquel o litio. Las de litio y magnesio poseen ciclos de histéresis rectangulares.

• Magnetoplumbitas o Ferritas hexagonales

Cristalizan de la misma forma que la plumbita (Pb2Fe15Mn7AlTiO38).
Son imanes permanentes.
Una diferencia particular en la fabricación de estas ferritas es la aplicación de un campo magnético durante el proceso de presión.

Aplicaciones

Las ferritas, siendo materiales cerámicos tienen diversas aplicaciones:

• Buenos aisladores eléctricos, se utilizan en aplicaciones en las que se requiere una baja conductividad eléctrica.
  
• Transformadores de alta frecuencia
  
• Aplicaciones en electrónica, debido a su baja conductividad.
  

Las espinelas, tienen las siguientes aplicaciones:

• Supresores de interferencias
  
• Inductores de potencia
  
• Amplificadores electrónicos de audio
  

Los granates tienen las siguientes aplicaciones:

• Dispositivos que trabajan con frecuencias muy altas (microondas)
  
• Filtros sintonizables (radares)
  
• Osciladores sintonizables
  
• También se utilizan en aplicaciones que no se trabaja con microondas, como por ejemplo en los dispositivos magnetoópticos (CD).
  

Las espinelas hexagonales tienen las siguientes aplicaciones:

• Tóner magnético en impresoras láser
  
• Pigmentos de algunas pinturas
  
• Polvos de inspección magnética para soldadura
  
• Tinta magnética (códigos de barras, cheques)
  

Cerámicas ferromagnéticas

El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce un ordenamiento de todos los momentos magnéticos de los átomos de un material, en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo.
Es un hecho experimental que, al aplicar un campo magnético sobre un material, éste se perturba. Se dice que el material se imana. Si no existen interacciones magnéticas entre los momentos atómicos individuales, en ausencia de campo aplicado dichos momentos se encontrarán desordenados a temperaturas distintas de 0 K. En estas condiciones, el momento magnético total, promedio de los momentos individuales, será siempre nulo. Sin embargo, debido a la presencia de interacciones entre los momentos individuales, algunos materiales presentan orden magnético a largo alcance por debajo de una cierta temperatura crítica. Si la naturaleza de la interacción es tal que los momentos individuales ordenados se suman unos a otros para dar lugar a un momento macroscópico no nulo, incluso en ausencia de campo magnético aplicado, se dice que el material es ferromagnético.

Incluso en ausencia de campo magnético externo los momentos magnéticos atómicos se encuentran alineados en regiones microscópicas del material que se denominan DOMINIOS MAGNÉTICOS. A pesar de la existencia de una imanación espontánea local, un bloque de una sustancia ferromagnética se encuentra normalmente en un estado desimanado puesto que externo los dominios se orientan al azar.
Los dominios magnéticos están separados por superficies conocidas como paredes de Bloch, en las cuales se produce la transición en la orientación de los dipolos.

Al someter un material ferromagnético a un campo magnético intenso, los dominios tienden a alinearse con éste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos están orientados con el mismo sentido y dirección que el campo magnético inductor aumentan su tamaño, mientras otros se extiguen o giran. El resultado final es la formación de un monodominio, con los momentos magnéticos alineados en la dirección del campo, observándose una imanación a nivel macroscópico. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo.

Como se ha mencionado anteriormente existe una temperatura para la cual estos materiales dejan de presentar este comportamiento. Dicha temperatura se denomina temperatura de Curie. Cuando dicha temperatura se supera, el material pierde sus propiedades ferromagnéticas y tiende a convertirse en un material paramagnético. Conforme la temperatura va creciendo, el alineamiento de los momentos magnéticos disminuye, hasta que, una vez sobrepasada la temperatura de Curie pasan a estar en un estado totalmente desordenado.

Sustancia	Tc (K)
Co	1388
Fe	1043
Fe2B	1015
FeOFe2O3	858
NuOFe2O3	858
CuOFe2O3	728
MgOFe2O3	713
MnBi	630
Cu2MnAl	630
Ni	627
MnSb	587
MnB	578
MnOFe2O3	572
Y3Fe5O12	560
Cu2MnIn	500
CrO2	386
MnAs	318
Gd	292
Au2MnAl	200
Dy	88
EuO	69
CrBr3	37
EuS	16,5
GdCl3	2,2

En la tabla a la derecha se muestran los valores de la temperatura de Curie de algunas sustancias ferromagnéticas:

Las cerámicas ferromagnéticas, también conocidas como ferritas, están compuestas de varios óxidos metálicos y tienen como fórmula general MO • Fe₂O₃, en la que M es la forma bivalente de un ión metálico como el zinc, el níquel, o el magnesio, entre otros. Existen también materiales cerámicos de este tipo con estructura cristalina del tipo de la espinela (MgO•Al₂O₃). La magnetita (FeO•Fe₂O₃) es el único mineral de origen natural que pertenece a este tipo de cerámicas y ha sido generalmente conocido y utilizado durante muchos años como piedra imán por sus propiedades magnéticas.

A diferencia de los materiales metálicos magnéticos, las ferritas cerámicas tienen una alta resistividad volumétrica y una alta permeabilidad. Su gravedad específica se encuentra entre 4 y 5, considerablemente menor que la del hierro (8). Las propiedades de las ferritas blandas pueden variar en un amplio rango para responder a los requerimientos específicos de cada aplicación. Se utilizan en nucleos de antenas de espira de televisión y radio para lograr una óptima calidad de recepción y selectividad. Para núcleos de memoria de ordenadores, se utilizan por tener un tiempo de encendido pequeño, debido a la facilidad de magnetizarse y desmagnetizarse. Por otra parte las cerámicas magnéticas son en torno un 35% menos densas que los metales magnéticos, un factor importante para aplicaciones.
Las ferritas duras, son generalmente de una estructura hexagonal como el magnetoplumbite BaFe12O19 y PbFe12O10. Éstos tienen magnetización permanente fuerte. Son usadas en medidores eléctricos para apoyar el peso del rotor y reducir el desgaste en los cojinetes. También se utilizan en motores pequeños, reemplazando a los motores de corriente continua con arrollamiento de cobre (cepillos de dientes eléctricos, limpiaparabrisas, ventiladores, ventanas elécticas, asientos ajustables, etc.).
La principal aplicación de este tipo de materiales es su uso como imanes. Se fabrican a partir de partículas muy finas de material ferromagnético (óxido de hierro, óxido de estroncio o de bario) que se transforman en un conglomerado por medio de tratamientos térmicos a presión elevada, sin sobrepasar la temperatura de fusión. Se caracterizan por su bajo coste de producción, su elevada fuerza coercitiva, y la dificultad de mecanizado, debido a su fragilidad (sólo admiten ser mecanizados con muelas de diamante). En la siguiente tabla se muestran las principales propiedades magnéticas de imanes de ferrobarita y ferroestroncita.

Los imanes permanentes cerámicos son usados en tan diversas aplicaciones como altavoces, cierres magnéticos o los aceleradores de la partícula lineales. Por ejemplo, el acelerador de partículas de 30 mil millones electrón-voltio contiene aproximadamente siete toneladas de anillos de ferrita cerámica de aproximadamente 35 cm (13.75 in.) de diámetro por 2.5 cm (1 in.) de espesor.

Se requieren ferritas cerámicas en aplicaciones de microondas para funciones como guiado de las ondas, rectificadores, aislamiento de resonancia, juntas de circulación, y cambios de fase. Otro ejemplo de aplicación importante de las ferritas es la cinta magnetofónica. Se dispersan monocristales de y-Fe203 en una cinta del polímero delgada, flexible. Los cristales son cuidadosamente sintetizados para ser aproximadamente 0.75 mm de longitud y 0.15 mm de diámetro que proporciona características magnéticas óptimas. El polímero está lleno con aproximadamente el 40% en peso de éstas partículas de ferrita.

Piezoeléctrico

Definicion

¿Qué es un material piezoeléctrico? Un material piezoeléctrico es aquel que, debido a poseer una polarización espontánea, genera un voltaje cuando se le aplica presión o, al contrario, se deforma bajo la acción de un campo eléctrico. Cuando el campo eléctrico aplicado es alterno, este produce una vibración del piezoeléctrico. Estos materiales tienen un gran abanico de aplicaciones, como mecheros, micrófonos, medidores de presión…

Caracteristicas

Características:

• Gran factor de acoplamiento electromecánico

• Pérdidas dieléctricas bajas

• Alta constante dieléctrica

• Alta rigidez dieléctrica

• Coeficiente de expansión bajo

• Gran resistividad a altas temperaturas

Historia

Historia de estos materiales En este sentido es muy importante el titanato de bario, BaTiO . Éste se empezó a usar en los años 50. Se trata de un material cerámico ferroeléctrico, con propiedades piezoeléctricas y de efecto fotoretractivo. En estado de agregación sólido, posee cinco fases, de acuerdo a su temperatura: hexagonal, cúbica, tetragonal, ortorómbica y romboédrica (estructuras cristalinas ordenadas de acuerdo a temperatura decreciente). En todas las estructuras posee propiedades ferroeléctricas, excepto en la cúbica. Posee la apariencia de polvo blanco o cristales translúcidos. No es soluble en agua, pero si en ácido sulfúrico concentrado. El titanato de bario puede ser obtenido mediante la sinterización en fase líquida de carbonato de bario y dióxido de titanio. A menudo es mezclado con titanato de estroncio. Posteriormente se descubre que las soluciones sólidas de circonato-titanato de plomo PZT (Pb(Zr,Ti)O3) muestran constantes piezoeléctricas mucho mayores que las del BaTiO3 al pasar de la forma romboédrica a la tetragonal.

Polarización piezoeléctrica

¿Qué es la polarización piezoeléctrica? Al aplicar un campo eléctrico a un material piezoeléctrico, éste sufre una deformación. Cuando este campo es alterno y su frecuencia se acerca a la de resonancia del sistema puede darse una amplificación de la deformación debido a la acumulación de energía. Esta resonancia piezoeléctrica es muy útil en actuadores y galgas eléctricas para determinación de tensiones y/o desplazamientos.

Interpretación física del fenómeno

La interpretación física del fenómeno piezoeléctrico está relacionada con la deformación que se produce a nivel atómico (desplazamientos de los iones que conforman la estructura cristalina) como consecuencia de los esfuerzos mecánicos y/o los campos eléctricos aplicados. El efecto piezoeléctrico es anisótropo, es decir, depende de la dirección espacial en relación con los ejes del cristal. Para que una estructura cristalina sea susceptible de efecto piezoeléctrico, tiene que presentar como mínimo un eje polar, es decir, el cristal no tiene que poseer ningún centro de simetría. Esta condición la cumplen 20 clases de cristales, pero en muchos de ellos el efecto es demasiado pequeño para que pueda medirse experimentalmente. Debido al acoplamiento entre las magnitudes mecánicas y eléctricas, un condensador piezoeléctrico en forma de barra (una de sus dimensiones muy superior a las otras dos) se comporta como un oscilador electromecánico, con unas frecuencias propias de resonancia que valen:

f = (2n-2)/2l

Donde el entero n es el orden de la resonancia, ρ la densidad másica del cristal, l la longitud de la barra, y s11 el coeficiente de elasticidad entre las deformaciones y las tensiones mecánicas aplicadas a lo largo de la muestra. Esta expresión permite determinar s11 a partir de la medida de las frecuencias piezoeléctricas.

Aunque el fenómeno piezoeléctrico es cristalinamente anisótropo, una muestra policristalina (que en principio no tendría que presentar el fenómeno ya que sus momentos dipolares están orientados al azar) puede presentar piezoelectricidad si es sometida a un tratamiento adecuado. Este es el caso de los condensadores de PZT (Titanato Zirconato de Plomo) policristalino que se utilizan, por ejemplo, para el aviso acústico en aparatos electrónicos (relojes, alarmas, ordenadores, teléfonos móviles...). Un posible proceso tecnológico para conseguir piezoelectricidad en cerámicas policristalinas puede consistir en aplicar un fuerte campo eléctrico, que oriente los dipolos de la muestra, a una temperatura ligeramente inferior a la temperatura de Curie.

Figuras

Figura 1.-Actuador lineal piezoelectrico con precision subnanometrica y respuesta submilisegunda

Aplicaciones

• Vibradores.

Las cerámicas piezoeléctricas estan iutilizadas en general para generer ondas acusticas por ejemplo en filtros, osciladores, altavoces, micrófonos. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida. Se ha convertido de una forma fácil una vibración mecánica en una señal eléctrica lista para amplificar. Basta con conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador.

En estos equipos es muy importante la relación entre la frecuencia de vibración y el tamaño del equipo. Por ejemplo, para tamaños del orden del centimetro la frecuencia de resonancia debe estar entre 100 y 1000 Hz.

• Decapado de materiales.

En los generadores de ultrasonidos, las cerámicas piezoeléctricas estan sometidas a un corriente alternativo. Esta energía eléctrica está convertida en energía mecánica, así se genera una onda ultrasonora que va a crear la cavitación. La cavitación es la formación y implosión de burbujas de aire dentro de un líquido. Durante las bajas presiones, se forman las pequeñas burbujas que implosan a altas presiones. Este fenomeno permite arrancar una capa no deseada de las piezas colocadas en un baño de líquido a baja temperatura específico para esta operación. Un ejemplo típico es el decapado de las piezas de acero recubiertas de una capa de óxido, la calamina. Se debe quitar esta capa porque la calamina es dura, quebradiza y abrasiva. Se sumergen las piezas en un baño de solución reactiva de ácido caliente y se colocan generadores de ultrasonidos en las paredes del baño. Así, se accelera el tiempo de decapado por la cavitación. El decapado por ultrasonidos está emlpeado en varios y numerosos dominios de industria: aeronautica, metalurgía, mecánica, calderería, fundición, etc...

• Deteccion de grietas.

Las piezas a analizar estan sometidas a señales acusticos en emisión. Estos señales pasan varias alteraciones durante su propagación en la estructura: reflexión, refracción, absorción,etc... A la superficie del material, estan colocados sensores piezoelectricos que trnsforman el señal mecánico recibido en señal eléctrico. Éste está analizado mediendo un programa informatics para salir informaciones sobre posibilidad de grietas o defectos en la pieza.

• Encendedores.

Una de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales son los encendedores electrónicos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico que es golpeado de forma brusca por el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa que encenderá el mechero. La aplicación de esta carga puede ser continuada o instantánea. Este tipo de encendedores es muy usado en motores de combustión interna.

Superconductores

Introduccion

Aunque la superconductividad es una propiedad eléctrica, sus mayores aplicaciones han sido en el campo de las fuerzas magnéticas. Un material superconductor es aquel que no opone resistencia al flujo de electricidad cuando se encuentra por debajo de su temperatura crítica Tc (aproximadamente –273 ºC) y no se excede su densidad crítica de corriente ni su campo magnético crítico.

La superconductividad desaparecerá si se excede la temperatura crítica o si se aplica un campo magnético crítico o una densidad crítica de corriente.

Materiales

De todos los elementos y compuestos estudiados sólo pocos están en etapa ser materiales superconductores que son las aleaciones de:

- Niobio-Estaño (Nb-Sn)

- Niobio-Titanio (Nb-Ti)

- Niobio-Zirconio (Nb-Zr)

- El compuesto lo más conocido el YBCOw:en:Yttrium_barium_copper_oxide (Yttrium Barium Copper Oxide) que denomina un material cerámico compuesto de óxidos de itrio, bario y cobre con propiedades de superconductor a temperaturas relativamente altas (94 Kelvin) y campo magnético crítico muy alto T perpendicular y 250 T paralelo al CuO2 planes.

Estos compuestos presentan distintas corriente crítica, campo crítico, siendo su ductilidad también diferente. El producto se manufactura en la forma de una lámina compuestos de filamentos múltiples. Estos alambres por lo general contienen cobre para estabilizar y proteger el sistema. Si se pasa del estado de superconducción al estado normal, el cobre puede acarrear la corriente por poco tiempo mientras se logra estabilizar la condición de superconductividad o se apaga el sistema

Propiedades

Es conveniente señalar las propiedades que se requieren en los superconductores comerciales:

La mayor temperatura crítica posible	Esto se debe a que, cuanto mayor sea, más elevada podrá ser la temperatura de operación del dispositivo fabricado, reduciéndose de esta manera los costos por refrigeración requeridos para alcanzar el estado superconductor en operación.
La mayor densidad de corriente crítica posible	A mayor densidad de corriente crítica que la muestra pueda soportar antes de pasar al estado normal, más pequeño podrá hacerse el dispositivo, reduciéndose, de esta manera, la cantidad requerida de material superconductor y también la cantidad de material que debe refrigerarse.
La mayor estabilidad posible	Es muy común que los superconductores sean inestables bajo cambios repentinos de corriente, de campos magnéticos, o de temperatura, o bien ante choques mecánicos e incluso por degradación del material al transcurrir el tiempo (como ocurre en muchos de los nuevos materiales superconductores cerámicos). Así que, si ocurre algún cambio súbito cuando el superconductor está en operación, éste podría perder su estado superconductor. Por eso es conveniente disponer de la mayor estabilidad posible.
Facilidad de fabricacióne	Un material superconductor será completamente inútil para aplicaciones en gran escala si no puede fabricarse fácilmente en grandes cantidades.
Costo mínimo.	Como siempre, el costo es el factor más importante para considerar cualquier material utilizado en ingeniería y deberá mantenerse tan bajo como sea posible.

Aplicaciones

Las áreas de utilización de un superconductor son principalmente:

-Grandes campos magnéticos.

-Transmisión de energía.

-Circuitos electrónicos.

Se han propuesto muchas aplicaciones industriales a gran escala de los superconductores. En la actualidad existen algunos métodos alternativos pero, si se aplica la superconductividad en estas áreas, se espera obtener un ahorro considerable en costos de operación. A continuación presentamos diversas aplicaciones de los superconductores:

• El SQUID o dispositivo superconductor de interferencia cuántica: fue una de las primeras aplicaciones comerciales de la superconductividad. Basado en las uniones Josephson, son captadores magnéticos extraordinariamente sensibles que permiten medir campos magnéticos y tensiones eléctricas increíblemente débiles, con una resolución del orden del picovoltio, una billonésima de voltio. Los SQUID llevan utilizándose ininterrumpidamente desde los años 60 en multitud de aplicaciones:
  • Detección súper precisa de las señales eléctricas del cerebro y el corazón
  • Comprobación no destructiva de tuberías y puentes (la fatiga del metal produce una firma magnética peculiar),
  • Paleomagnetismo, sensores geológicos para prospecciones petrolíferas, equipos militares de detección de sumergibles y un largo etcétera.
• RMN aparatos de formación de imágenes por resonancia magnética: más conocidos como RMN. Con esta técnica se coloca una sustancia en un campo magnético intenso que modifica el spin de los núcleos de determinados iones. Después, se somete a la muestra a una onda de radio que reorienta los núcleos. Al desaparecer la excitación se libera un pulso de energía que proporciona información sobre la estructura molecular de la sustancia... y que puede transformarse en una imagen mediante técnicas informáticas. El RMN es una herramienta casi indispensable para la formación de imágenes del cerebro, y con el advenimiento de los superconductores de alta temperatura podrá convertirse en una maquina mucho mas pequeña y barata: los superconductores clásicos enfriados por helio requieren voluminosos y delicados equipos de refrigeración. En cambio, el nitrógeno liquido es sencillísimo de producir y utilizar.
• Ordenadores mas rápidos: Otra aplicación de las uniones Josephson es la posibilidad de fabricar transistores basados en ellas. Estos circuitos podrían activarse y desactivarse muy rápidamente con un consumo de potencia mínimo. En teoría, un ordenador basado en el efecto Josephson sería 50 veces más rápido que uno convencional, aunque hasta hoy no ha sido construido debido a problemas de fiabilidad, de interfaces y a la dificultad de competir con un adversario tan poderoso como los circuitos de silicio (muchísimo mas económicos y sencillos de utilizar).
• Aceleradores de partículas: En todas aquellas aplicaciones en que sean necesarios campos de una intensidad enorme, los superconductores clásicos no tienen rival. La forma mas evidente de crear un campo magnético es mediante una bobina de cable enrollado, que al ser atravesada por una corriente eléctrica crea un campo directamente proporcional a la intensidad de la misma. Pero el campo máximo que podemos generar no es muy grande, ya que al incrementar la corriente los cables comienzan a calentarse peligrosamente debido a la resistencia eléctrica. Con los superconductores no pasa esto: su resistencia es cero y pueden producir campos magnéticos altísimos. La aplicación típica en este caso son los aceleradores de partículas como el Tevatron del Fermilab en EE.UU. con una capacidad de un teraelectrón voltio (TeV), equivalente a un billón de voltios.
• Levitación magnética: Los imanes basados en superconductores de alta temperatura todavía están lejos de estos márgenes... aunque ya se pueden conseguir imanes de cerámicas superconductoras que pueden generar un campo de dos teslas, cinco veces mayor que el que se puede conseguir con un imán permanente. Estos imanes se utilizan por ejemplo en los trenes de alta velocidad sobre cojín magnético (MAGLEV). Los trenes tipo SED (suspensión electrodinámica) japoneses pueden desplazarse de 320 a 500 Km/h mediante imanes superconductores que inducen corrientes en las bobinas conductoras de las guías. Esta interacción eleva al vehículo unos 15 cm del suelo, como si fuera un avión en vuelo rasante. A menos de 100 Km/h, este vehículo circula sobre ruedas como un tren convencional.
• Transporte de energía mediante cables eléctricos, transformadores de corriente y conmutadores de potencia: De este modo se podría reducir el recibo de la luz al compensarse el importante porcentaje de energía eléctrica que se disipa en forma de calor debido a la resistencia eléctrica. También podrían utilizarse como limitadores de corriente, proporcionándonos un voltaje mas estable.

Actualmente, un cable superconductor necesita de una cubierta refrigerante a su alrededor para mantenerlo a una temperatura inferior a la temperatura crítica del material que lo forma. Es evidente que si se dispusiera de un superconductor que trabajara a la temperatura ambiente (o mayor) el sistema de refrigeración no sería necesario. Claro que si se tuviera un elemento conductor fabricado con los nuevos materiales cerámicos, el sistema de refrigeración se simplificaría muchísimo en su diseño y disminuiría mucho su costo de fabricación. Nos referimos a los actuales cables superconductores convencionales. Aunque la filosofía del diseño permanecerá con los nuevos materiales cerámicos superconductores.

• Almacenamiento de energía mediante superconductores magnéticos de almacenamiento de energía (SMES): Este sistema consiste en "cargar" una bobina superconductora de electricidad y luego cerrarla formando un anillo. La corriente teóricamente circularía sin perdidas, y cuando hubiera que utilizarla bastaría con abrirla y extraer la cantidad necesaria. Este sistema se ha propuesto, por ejemplo, para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos, en reactores de fusión.
• Combinación de corrientes y magnetismo para la generación de potencia y trabajo: como motores y generadores eléctricos muchísimo mas eficientes.
• Investigación espacial: En el espacio, protegidos de la luz solar, es fácil conseguir temperaturas dentro del rango funcional de los superconductores de alta temperatura. En este aspecto la NASA ha financiado diferentes estudios sobre sensores y elementos de actuación electromecánicos con vistas a su utilización en naves espaciales...
• Limpieza de aguas contaminadas: Por medio de campos magnéticos se pueden separar las impurezas que al estar disueltas en agua quedan ionizadas y al fluir a través de un campo magnético pueden ser desviadas por éste y ser apartadas del agua.
• Aplicaciones químicas: Es un hecho conocido que los campos magnéticos pueden cambiar las reacciones químicas y ser utilizados en la catálisis.