¡Un pequeño imán, levitando sobre un superconductor a 196 grados centígrados bajo cero!
Llamamos material superconductor a aquel material que cuando se enfría por debajo de cierta temperatura, presenta una resistencia nula ante el paso de la electricidad. La temperatura a partir de la cual presenta estas características la denominamos temperatura crítica.
En este experimento vamos a observar un fenómeno de levitación magnética en materiales superconductores. Cuando se coloca una muestra de un material superconductor dentro de un campo magnético y se enfría por debajo de su temperatura crítica, Tc, el flujo magnético originalmente presente es expulsado de la muestra, comportándose como un material diamagnético. A este efecto, que no es una consecuencia directa de la resistividad nula del superconductor, se le denomina efecto Meissner. De esta forma, un superconductor por debajo de su Tc repelerá a un imán permanente produciéndose el fenómeno de levitación buscado.
Elísabet Fernández Mansilla
En 1986 se descubrieron que cerámicas de una clase de materiales llamados perovskitas, eran superconductores a temperaturas inferiores a 35K. Este descubrimiento produjo un inmediato interés en el estudio de estos materiales. Fruto de este interés se obtuvieron nuevos materiales superconductores, algunos con una Tc por encima de 90K. Este fue un avance trascendental ya que permitió usar nitrógeno líquido como refrigerante. A estos materiales se les denomina superconductores de alta temperatura.
Las perovskitas son óxidos de metales con una razón estequiométrica de 3 átomos de oxígeno por dos átomos metálicos. Las perovkitas son típicamente mezclas de metales muy diferentes. Por ejemplo, uno de los superconductores que podemos utilizar para la realización del experimento, YBa2Cu3O7, los metales son el bario, el cobre y el itrio. Como puede verse este superconductor tiene dos átomos de oxígeno menos de lo esperado en materiales tipo perovskita. Hay que resaltar además que las razones molares del itrio al bario y al cobre son 1 a 2 a 3, de ahí que a éste se le conozca como superconductor 1-2-3.
Otro superconductor que podemos utilizar está basado en el bismuto, su fórmula química es Bi2Sr2Can-1CunO9 (BSCCO), a veces se conoce por superconductor 2-2-(n-1)-n, con n = 1,2 ó 3. En la práctica, la mayoría de materiales basados en bismuto preparados de forma simple poseen n = 1 o n = 2. La n = 3 (con una Tc = 110K) predominan en muestras preparadas por una ruta más compleja.
MÉTODO EXPERIMENTAL. FENOMENOLOGÍA DEL EFECTO MEISSNER.
Material:
Disco de material superconductor (YBCO ó BSCCO), imanes, pinzas, placa de petri, recipiente con nitrógeno líquido.
1.Colocamos el disco superconductor en la placa de petri. Colocamos el imán sobre dicho disco.
2.Con mucho cuidado vertimos nitrógeno líquido en la placa de petri hasta que el líquido ocupe un nivel de 0.5 cm. Aproximadamente. El superconductor debe estar cubierto completamente por el nitrógeno líquido.
3.Esperamos hasta que el nitrógeno líquido deje de hervir.
4.Si hemos realizado los pasos anteriores correctamente el imán debe levitar sobre el conductor. Este es el llamado efecto Meissner.
5.Podemos observar si tomamos una pajita y soplamos sobre un extremo del imán cómo éste comenzará a girar durante mucho tiempo. Si soplamos de forma continuada el imán aumentará su velocidad progresivamente.
El uso del nitrógeno y el hecho de ver el cubo magnético levitando sobre la pastilla del superconductor hace que este experimento sea muy llamativo para todo tipo de público, desde niños pequeños hasta adultos. Una forma de presentar el experimento sería haciendo una analogía con los trucos de magia que todos hemos visto alguna vez. Por ejemplo, los pasos a seguir podrían ser los siguientes:
1.Pedimos a uno o varios voluntarios que coloquen el imán sobre la pastilla de material superconductor, comprobando que, por mucho que lo intenten, el imán no levita.2.Pedimos que se retiren una chispa porque va a entrar en acción nuestro especialista o mago (la persona que realizará el experimento).
3.Nos ponemos los guantes de mago (es recomendable ponerse guantes por precaución, aunque no es algo necesario si se trabaja adecuadamente) y nos disponemos a rociar de polvos mágicos nuestro experimento (el nitrógeno líquido cumple muy bien con la función de los polvos mágicos)
4.Una vez hemos echado suficientes polvos mágicos (es decir, una vez que el material superconductor se ha enfriado por debajo de su temperatura crítica), el mago deposita el imán sobre la pastilla superconductora.
5.¡¡¡El imán flota en el aire!!! ¿Magia? No, todo es pura Física. ¡La Física puede ser muy divertida!
6.Ahora, cualquier persona puede acercarse a juguetear con el imán. Se le puede hacer girar soplando con una pajita, golpeándolo con las pinzas, etc. ¡Oh qué divertido! También se puede comprobar que el imán está levitando pasando un papel o cualquier otra cosa entre el imán y la pastilla de material superconductor.
7.Con un poco de suerte, conseguimos “fichar” a muchos alumnos de bachillerato para estudiar la carrera de Ciencias Físicas, sorprendidos por este u otros experimentos de Física Divertida.
Esta experiencia fué presentada en el Paseo por la Ciencia 2010 por la Facultad de Ciencias de la Universidad de Córdoba.
La fotografía, tiene lugar, en la Biblioteca del Departamento de Física en el acto de entrega de los premios correspondientes al Concurso de Ideas para el Paseo por la Ciencia 2010.
El concurso fue organizado por la Facultad de Ciencias y el Departamento de Física y en él podían participar los alumnos de la Licenciatura de Física de la UCO.
En esta edición los trabajos premiados han sido los siguientes:
Primer premio:
LEVITACIÓN EN SUPERCONDUCTORES Elísabet Fernández Mansilla
Segundo premio:
‘ROTURA’ DEL PRINCIPIO DE LOS VASOS COMUNICANTES
Enrique Martín-Lorente Rivera
Terceros premios:
FERROFLUIDOS
Alberto Martínez Gálvez
COMPROBACIÓN DEL TIPO DE GAFAS
Andrés García Cámara
Felicitamos a nuestra colaboradora Elísabet Fernández Mansilla por su merecido premio y le agradecemos que muestre sus conocimientos en su antíguo Instituto de Secundaria.
VÍDEO GRABADO DURANTE LA X SEMANA DE LA CIENCIA EN NUESTRO LABORATORIO DE FÍSICA Y QUÍMICA.
