Por Alfonso Padilla Vivanco
El físico e ingeniero americano John Bardeen (1908-1991) fue el primer científico en recibir dos veces el Premio Nobel de Física. Primeramente en el año 1956, por la invención del transistor, junto a sus dos colegas William Shockley y Walter Brattain. Más tarde, en 1972, en colaboración con Leon N. Cooper y John Robert Schrieffer, por la teoría fundamental de la superconductividad, también conocida como teoría de BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer).
Bardeen y sus colaboradores estudiaron por mucho tiempo la estrecha relación entre la Física del estado sólido y la Física de las bajas temperaturas, particularmente la correspondencia entre los semiconductores y la superconductividad.
El científico observó que la conductibilidad de los semiconductores depende de la temperatura del medio que los rodea. A temperatura muy baja, próxima al cero absoluto (-273.15 grados centígrados) éstos se comportan respecto de la corriente eléctrica como aislantes. Contrariamente, la mayoría de los conductores a esta temperatura se hacen superconductores; es decir, casi no ofrecen resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la medida que se eleva la temperatura de los conductores, su resistencia a la corriente eléctrica aumenta, mientras que la resistencia de los semiconductores disminuye. También la conductibilidad de los semiconductores aumenta bruscamente si se introducen en ellos átomos de algunos otros elementos. A este proceso se le conoce con el nombre de dopaje.
La superconductividad a muy bajas temperaturas (cerca al cero Kelvin o cero absoluto o -273.15 centígrados), se ha podido observar en veintisiete elementos químicos y sus compuestos, como lo son: Cadmio, Aluminio, Estroncio, Mercurio, Plomo, Niobio, boruro de Magnesio, entre otros compuestos. Como se puede observar en este pequeño listado, no aparecen los conductores metálicos típicos, por ejemplo: Cobre, Oro y Plata. Esto se debe a que estos últimos son muy buenos conductores de electricidad, pero a temperatura ambiente. Existe un efecto muy interesante, denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, el cual consiste en la desaparición total del flujo de campo magnético; en el interior de un material superconductor que está por debajo de su temperatura crítica. Este efecto fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld, midiendo la distribución de flujo magnético en el exterior de muestras de plomo y estaño, enfriados por debajo de su temperatura crítica en presencia de un campo magnético. Este efecto se puede observar en un video muy recomendable: Levitating Superconductor on a Möbius strip.
Tampoco es desconocido que los elementos químicos Germanio (Ge) y Silicio (Si), sean materias primas de muchos dispositivos semiconductores: diodos, transistores, etcétera. Estos dispositivos basan la explicación de su conductibilidad eléctrica por la teoría de huecos (tipo p) y electrones libres (tipo n). Esto se puede dar, cuando ellos han sido dopados con impurezas de otros elementos químicos, tales como: antimonio (Sb), indio (In), y otros elementos. Hoy día, los dispositivos semiconductores han incrementado sus aplicaciones y forman parte de una tecnología conocida como: electrónica de potencia. Esto con fines de ahorro y menor impacto ambiental, además de incremento de la producción energética. Esta área se encarga de aprovechar la energía eléctrica, mediante el diseño y construcción de dispositivos electrónicos tales como: rectificadores, inversores, fuentes conmutadas y cicloconvertidores. Algunos de estos dispositivos electrónicos basan su funcionamiento en dispositivos semiconductores tales como: thyristores GTO, transistores de efecto de campo (MOSFET) y/o transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Estos elementos tienen la capacidad de trabajar mediante tres variables de entrada: frecuencia, voltaje y corriente eléctrica. Teniendo como consecuencia el control de la potencia eléctrica de salida respecto de la frecuencia de entrada. Por lo que algunos de estos elementos son comúnmente empleados en la tecnología de los autos eléctricos.
Las componentes principales de un automóvil eléctrico son el motor, el cual puede ser de dos tipos: corriente alterna (AC) o de corriente continua (DC). La diferencia entre éstos es la forma de alimentación. Debido a que el de corriente continua se alimenta directamente desde la batería principal, mientras que el de corriente alterna se alimenta a través de la energía que proviene de la batería, la cual es previamente transformada en corriente alterna, usando para este propósito un inversor. Depende de la tecnología del auto eléctrico, pero en lo general contienen los siguientes dispositivos: Batería principal, cargador AC/DC, conversor DC/DC, motor eléctrico y batería auxiliar para pequeños dispositivos. Tanto en el conversor como en el inversor, se suelen emplear, cómo parte importante de su funcionamiento, algún tipo de semiconductor, como los mencionados en el párrafo anterior. Es por ello, de la importancia de seguir estudiando este tipo de dispositivos, debido a que permiten controlar la potencia eléctrica en los diferentes equipos de uso industrial o cotidiano.
Universidad Politécnica de Tulancingo.
alfonso.padilla@upt.edu.mx
