Estudio de fenómenos inductivos en enfrentamientos coaxiales entre elementos superconductores de alta temperatura crítica

Abstract

La nula resistencia eléctrica que presenta la fase superconductora de un material, se traduce en que el flujo magnético que lo atraviesa debe permanecer constante. Esta característica provoca que, durante un enfrentamiento coaxial entre dos anillos superconductores, exista una variación de las corrientes eléctricas de cada uno de ellos. En trabajos anteriores se estudió la variación de la fuerza ejercida entre dos anillos superconductores enfrentados, observando un aumento de la misma si el enfrentamiento era de carácter repulsivo, y una disminución si era de carácter atractivo. Del mismo modo, se calculó de forma teórica cuales serían las corrientes asociadas a las fuerzas registradas, llegando a la conclusión de que en configuración repulsiva se podría incrementar la corriente por encima de la densidad de corriente crítica. El objetivo principal de este trabajo es verificar que este incremente de corriente efectivamente tiene lugar, lo que hace necesario la realización de una medida directa de corriente durante el enfrentamiento repulsivo entre dos anillos superconductores. Del mismo modo, se estudia la viabilidad de un sistema de almacenamiento de energía basado en el enfrentamiento coaxial y repulsivo de elementos superconductores, el cual almacene la energía mecánica de la aproximación, en forma de energía electromagnética, como aumento de las corrientes eléctricas en el caso concreto de anillos superconductores.

Para conseguir nuestros objetivos, es necesario diseñar y construir un dispositivo basado en la ley de Amperè, cuyo funcionamiento consiste en cuatro sondas Hall que recorren un contorno cerrado alrededor de una sección de uno de los anillos, registrando valores de campo magnético. Según la ley de Amperè, la circulación del campo magnético a lo largo del contorno citado es directamente proporcional a la intensidad de corriente que circula por el anillo.

Finalmente, se plantea si existe alguna diferencia entre enfrentar elementos superconductores que únicamente presenten vórtices superconductores y enfrentar elementos superconductores que presente una corriente eléctrica, donde la contribución de vórtices superconductores es despreciable. Para dar respuesta a esta cuestión, se realiza un estudio de la variación de la fuerza ejercida en función de la distancia entre dos discos superconductores, cuyos resultados serán comparados con las medidas equivalentes realizadas con anillos superconductores.

A nula resistencia eléctrica que presenta a fase supercondutora dun material, tradúcese en que o fluxo magnético que o atravesa deba permanecer constante. Esta característica provoca que, durante un enfrontamento coaxial entre dous aneis supercondutores, exista una variación de corrente eléctrica de cada un deles. En traballos anteriores estudouse a variación da forza exercida entre dous aneis supercondutores enfrontados, observando un aumento da mesma se o enfrontamento era de carácter repulsivo, e unha diminución se era de carácter atractivo. Do mesmo xeito, calculouse de forma teórica cales serían as correntes asociadas ás forzas rexistradas, chegando á conclusión de que en configuración repulsiva poderíase incrementar a corrente por encima da densidade de corrente crítica. O obxectivo principal deste traballo é verificas que este incremento de corrente efectivamente ten lugar, o que fai necesario a realización dunha medida directa de corrente durante o enfrontamento repulsivo entre dous aneis supercondutores. Do mesmo xeito, estúdase a viabilidade dun sistema de almacenamento de enerxía baseado no enfrontamento coaxial e repulsivo de elementos supercondutores, o cal almacene a enerxía mecánica da aproximación, en forma de enerxía electromagnética, como aumento das correntes eléctricas no caso concreto de aneis supercondutores.

Para conseguir os nosos obxectivos, é necesario deseñar e construír un dispositivo baseado na lei de Amperè, cuxo funcionamento consiste en catro sondas Hall que percorren un contorno pechado ao redor dunha sección dun dos aneis, rexistrando valores de campo magnético. Segundo a lei de Amperè, a circulación do campo magnético ao longo do contorno citado é directamente proporcional á intensidade de corrente que circula polo anel.

Finalmente, preguntámonos se existe algunha diferenza entre enfrontar elementos supercondutores que unicamente presenten vórtices supercondutores e enfrontar elementos supercondutores que presenten unha corrente eléctrica, onde a contribución de vórtices supercondutores é desprezable. Para dar resposta a esta cuestión, realízase un estudo da variación da forza exercida en función da distancia entre dous discos supercondutores, cuxos resultados serán comparados cas medidas equivalente realizadas con aneis supercondutores.

The zero electrical resistance that the superconducting phase of a material presents, means that the magnetic flux that passes through it must remain constant. This characteristic causes that, during a coaxial confrontation between two superconducting rings, there is a variation in the electric currents of each one of them. In previous works, the variation of the force exerted between two opposing superconducting rings was studied, observing an increase of the same if the confrontation is repulsive, and a decrease if it is attractive. In the same way, the currents associated with the registered forces were theoretically calculated, reaching the conclusion that in a repulsive configuration the current could be increased above the critical current density. The main objective of this work is to verify that this increase actually takes place, which makes it necessary to carry out a direct current measurement during the repulsive confrontation between two superconducting rings. In the same way, the viability of an energy storage system based on the coaxial and repulsive confrontation of superconducting elements is studied, which stores the mechanical energy of the approximation, in the form of electromagnetic energy, as an increase in electric currents in the case superconducting ring concrete.

To achieve our objectives, it is necessary to design and build a device based on Amperè’s law, whose operation consists of four Hall probes that travel a closed contour around a section of one of the rings, recording magnetic field values. According to Amperè’s law, the circulation of the magnetic field along the contour is directly proportional to the intensity of the current flowing through the ring.

Finally, it is asked if there is any difference between facing superconducting elements that only present superconducting vortices and facing superconducting elements that present an electric current, where the contribution of superconducting vortices is negligible. To answer this question, we carry out a study of the variation of the force exerted as a function of the distance between two superconducting discs, the results of which will be compared with the equivalent measurements made with superconducting rings.