ES2293759B1 - Dispositivo para la medida de corriente critica en anillos superconductores utilizando una fuente de continua como control. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la medida de corriente crítica
en anillos superconductores utilizando una fuente de continua como
control.
Consiste en ensamblar en un núcleo
ferromagnético (6) una bobina primaria (4), una secundaria (8) y el
anillo superconductor (7). La bobina primaria se conecta en serie a
una bobina auxiliar (3), a un amperímetro (5) y a una fuente AC
(1); la secundaria se conecta a un voltímetro (9). En el voltímetro
de la bobina auxiliar aparecerá una señal cuando el valor de pico
de la corriente que circula por el primario multiplicado por el
número de vueltas de éste supere el valor de la corriente crítica
del superconductor. En esta invención la corriente que circula por
el circuito primario se regula variando la impedancia de la bobina
auxiliar (3), mediante una fuente DC (10) conectada en paralelo a
ésta y manteniendo constante el voltaje de la fuente AC (1).
Description
Dispositivo para la medida de corriente crítica
en anillos superconductores utilizando una fuente de continua como
control.
La presente invención se refiere a un
dispositivo que permite realizar la medida de la corriente crítica
de un cilindro o anillo superconductor utilizando una fuente de
corriente continua (DC) que controla la corriente inductora. Dicho
aparato se basa en la variación de la corriente alterna (AC) que
pasa por el circuito primario, variando la impedancia de una de sus
bobinas con una fuente DC y manteniendo constante el voltaje del
circuito con una fuente AC. Este procedimiento aporta, de forma
sencilla y eficaz, una solución para realizar medidas de corriente
crítica en anillos superconductores controladas por ordenador, ya
que resulta mucho más económica la utilización de una fuente de
alimentación DC controlable que la de una fuente AC.
La corriente crítica en anillos superconductores
se mide habitualmente mediante procedimientos de tipo inductivo
denominados técnicas tipo transformador. Para ello, se sitúa una
bobina primaria, el anillo superconductor y una bobina secundaria
en un núcleo ferromagnético. Esta configuración es muy similar a la
de un transformador tradicional, de ahí el nombre del
dispositivo.
El superconductor tiene la propiedad de que
anula el flujo magnético que circula por su interior. De esta
forma, mientras la corriente inducida por la bobina primaria en el
superconductor sea inferior a su corriente crítica, no existirá
variación de flujo magnético en el núcleo y en la bobina secundaria
no se inducirá ninguna corriente. Por el contrario, cuando la
corriente inducida en el superconductor supere su valor crítico,
éste ya no podrá cancelar completamente el flujo magnético y
aparecerá una corriente inducida en la secundaria. La medida de la
corriente crítica se puede obtener situando un amperímetro en serie
con la bobina primaria y un voltímetro conectado a los terminales
de la bobina secundaria. Cuando se supera la corriente crítica del
superconductor aparecerá un voltaje en la bobina secundaria,
resultado de la corriente inducida. Tomando la corriente que circula
por el primario en el momento de la transición, multiplicándola por
el número de vueltas de la bobina primaria y por un coeficiente
C, se obtendrá la corriente crítica de la muestra
superconductora. Esto se calcula así por lo siguiente: Se parte de
una conservación de flujo magnético, por lo que la corriente en el
primario multiplicada por el número de vueltas del primario es
igual a la corriente en el superconductor por el número de vueltas
en el superconductor. El número de vueltas en el superconductor es
1, ya que se trata de un anillo. Por otra parte, el pico de
corriente de la bobina primaria es el que provoca la transición en
el superconductor, pero la medida en el amperímetro viene dada por
su valor eficaz. La relación entre el valor eficaz y el valor de
pico de una onda senoidal completa es C = \sqrt{2} y en una
semionda C = 2.
Típicamente, para variar la corriente que
circula por la bobina primaria se suele utilizar una fuente de
alimentación AC controlable por ordenador, pero este tipo de
aparatos tienen el problema de su elevado precio. En esta patente se
muestra un dispositivo que permite la regulación de la corriente AC
que pasa por la bobina primaria mediante el cambio de impedancia de
una bobina auxiliar en serie con el primario, que se conecta a una
fuente de corriente DC.
La impedancia de un una bobina se puede escribir
como Z = L \omega, donde L es el coeficiente
de autoinducción de la bobina y \omega es la frecuencia de la
corriente f multiplicado por 2\pi. A su vez L =
\mu n^{2} A l, donde \mu es la
permeabilidad magnética del material, A es la sección del
solenoide, l la longitud y n = N/l es el
cociente entre el número de espiras N y la longitud
l. Combinando todas las ecuaciones anteriores se puede
escribir la impedancia de la siguiente forma: Z = 2 \pi
f \mu n^{2} A l. De esta última
ecuación se puede observar como la impedancia de una bobina variará
modificando la permeabilidad magnética del núcleo. Si el voltaje AC
que se aplica al circuito se mantiene constante, variando la
impedancia antes citada, se puede controlar la corriente AC que
pasa por el circuito ya que I = V/Z, donde
I es la corriente AC y V el voltaje AC aplicado.
La permeabilidad de un material es una
característica de los materiales, que depende del tipo de material
y del campo magnético que se aplique al mismo. La permeabilidad se
define como \mu = B/H, donde H es el campo
magnético externo que se aplica al material y B es el campo
en el propio material resultado del campo magnético externo más la
magnetización de la materia. En un material ferromagnético, \mu
crece con el aumento del campo externo aplicado H y solamente
decrece para valores muy grandes de H.
En el dispositivo que se propone en esta patente
se empleará una configuración en la que se conecta una fuente DC en
paralelo a la bobina por la que circula una corriente AC. Al
magnetizar el núcleo de hierro de la bobina con la fuente DC
aumentará la permeabilidad del material y por lo tanto también
aumentará la impedancia de la bobina. Esto es consecuencia de que
la fuente DC somete al núcleo de la bobina a un campo magnético
externo H constante que aumenta la permeabilidad de la
bobina. Como la fuente AC mantiene una tensión y frecuencia
constantes, la corriente que circula por el circuito primario
disminuirá.
Para realizar la medida de la corriente crítica,
se partirá de una configuración en la que por la fuente AC genera
una corriente suficiente como para hacer transitar el
superconductor y detectar un voltaje en la bobina secundaria. A
continuación, se va aumentando poco a poco la corriente DC que
circula por la bobina de forma que aumenta la impedancia de la
bobina conectada en serie con el primario y la corriente AC por el
circuito disminuye. Cuando el valor de pico de esta corriente
multiplicada por el número de vueltas del primario y por un
coeficiente C sea igual a la corriente crítica del
superconductor, desaparecerá el voltaje en el secundario y ya se
puede decir que se ha obtenido la corriente crítica del
superconductor.
La principal ventaja de este dispositivo es que
se evita la utilización de una fuente AC regulable por ordenador,
ya que el voltaje de ésta se mantiene constante. Para la regulación
se emplea una fuente DC, que se puede controlar fácilmente desde un
ordenador y a un precio económico.
Para una mejor comprensión de cuanto queda
descrito en la presente memoria, se acompañan los siguientes
dibujos.
La figura 1 muestra el montaje necesario para
realizar la medida de la corriente crítica. La figura 2 es un
detalle de la bobina primaria, la secundaria y la muestra
superconductora. La figura 3 enseña el comportamiento de la
permeabilidad \mu en función del campo externo aplicado H.
La figura 4 es una gráfica de voltaje V en la bobina
secundaria frente a la corriente I que circula por la bobina
primaria, donde I_{1} es la corriente que circula por el
primario en el momento en el que se alcanza la corriente crítica en
el superconductor.
El dispositivo consta de un circuito eléctrico
como el que se muestra en la Figura 1. Para ello se sitúa en serie
con la fuente de alimentación AC (1), un diodo (2) para que actúe
como rectificador de media onda y disminuya las pérdidas AC en el
superconductor, una bobina con núcleo de hierro laminado (3) que se
utilizará para variar la impedancia del circuito, una bobina
primaria (4) que inducirá la corriente sobre el superconductor y un
amperímetro (5) que medirá la corriente AC que circula por el
primario. En el núcleo ferromagnético (6) de la célula de medida se
sitúa también el anillo superconductor (7) cuya corriente crítica
se desea conocer y la bobina secundaria (8) conectada a un
voltímetro (9). Finalmente, en paralelo con la bobina (3) se coloca
la fuente de corriente DC (10) que será la encargada de variar la
impedancia de dicha bobina y por lo tanto variar la corriente que
circula por el circuito. Para proteger esta fuente DC (10) de la
tensión AC de la otra fuente (1), se utilizará un diodo (11).
Para la realización de la medida, se procederá
de la siguiente forma. Se ajusta un voltaje en la fuente de
alimentación AC (1) suficiente para que la muestra transite. En
esta situación la corriente inducida es superior a la corriente
crítica y aparece un voltaje en la muestra. A continuación, se hace
circular corriente con la fuente DC (10) a intervalos muy pequeños
lo que provoca que aumente la permeabilidad, es decir la impedancia
de la bobina, y disminuya la corriente AC por el circuito (Figura
3; zona de crecimiento de la permeabilidad). Se registra para cada
punto los nuevos valores de corriente AC por el circuito y el
voltaje inducido en la bobina secundaria (Fig. 4), utilizando para
ello el amperímetro (5) y el voltímetro (9). En el momento en que
la muestra recupere el estado superconductor, desaparecerá el
voltaje en (9) y el valor de la corriente crítica I_{C}
será igual a la corriente I_{1} que circula por la bobina
primaria multiplicada por el número de vueltas N de ésta y
por 2 (I_{C} = 2 N I_{1}), ya que la
corriente que circula por el primario se trata de media onda debido
al diodo. De esta forma, se puede obtener la corriente crítica de
la muestra variando solamente la corriente que circula por la
fuente DC.
Claims (3)
1. Dispositivo para la medida de corriente
crítica en anillos superconductores utilizando una fuente de
continua como control, permite la regulación de la corriente que se
induce en el superconductor (7), variando la impedancia de una
bobina con núcleo ferromagnético (3) mediante una fuente DC (10) y
manteniendo constante el voltaje del circuito con una fuente AC
(1).
2. Dispositivo para la medida de corriente
crítica en anillos superconductores utilizando una fuente de
continua como control, según reivindicación 1, caracterizado
porque se utiliza un diodo (2) para la rectificación de la corriente
del circuito de alimentación de las bobinas reguladora (3) y
primaria (4), otro diodo (11) para la protección de la fuente DC
(10) y un amperímetro (5) para la medida de corriente que circula
por el circuito primario.
3. Dispositivo para la medida de corriente
crítica en anillos superconductores utilizando una fuente de
continua como control, según reivindicaciones 1 y 2, dispone
también de un voltímetro (9) conectado a la bobina secundaria (8)
del circuito magnético ensamblando sobre un núcleo (6) para la
detección de la corriente crítica de la muestra.
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2004
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