Hoje vamos falar de um assunto do qual há uma enorme área de pesquisa praticamente já estruturada no meio acadêmico-cientifico: OS SUPERCONDUTORES.
História
Em 1908, o holandês Heike Kamerlingh Onnes conseguiu a liquefação do hélio, atingindo uma temperatura de aproximadamente 4,1 K (–268,9 ºC). Onnes então passou a pesquisar o comportamento de alguns materiais a essa temperatura, sendo que três anos depois, em 1911, descobriu que o mercúrio apresentava resistividade elétrica nula para a temperatura do hélio liquido (figura 1.1).
Figura 1.1 – Resistência em ohms de um espécime de mercúrio em função da temperatura absoluta. Este gráfico marcou a descoberta da supercondutividade.
Onnes descobriu que para uma temperatura diferente do zero absoluto, a resistividade elétrica de alguns materiais era nula. Chamou-se essa temperatura de temperatura crítica (Tc) e o estado atingido pelo material de estado supercondutor. A partir daí surge então uma nova área de estudos da Física da Matéria Condensada atraindo o interesse de muitos pesquisadores. Isto se tornou ainda mais evidente após a descoberta em 1933, por Meissner e Ochsenfeld, de outra importante propriedade de um material no estado supercondutor: o diamagnetismo perfeito. Eles descobriram que um campo magnético externo aplicado em um material no estado supercondutor é expelido de seu interior. Essa propriedade passou a ser chamada de Efeito Meissner (figura 1.2 e video abaixo).
Figura 1.2 – Material primeiramente em seu estado normal submetido a aplicação de um campo magnético externo, onde as linhas de campo magnético penetram em seu corpo. Na segunda etapa o material está no estado supercondutor, sendo que o campo magnético não penetra em seu corpo.
Em 1935 Fritz e Heinz London desenvolveram uma primeira descrição teórica para a condutividade perfeita e o diamagnetismo perfeito nos supercondutores baseando-se em relações eletrodinâmicas. Em 1950 London mostra que esta teoria pode ser originada considerando a supercondutividade como um fenômeno onde o momento dos portadores de carga tem ordem de longo alcance. Ginzburg e Landau combinaram a eletrodinâmica dos supercondutores de London com a teoria de transições de fases de Landau, criando uma descrição fenomenológica muito mais poderosa para a supercondutividade. Em 1957, Bardeen, Cooper e Schrieffer propõem uma teoria microscópica para a supercondutividade, conhecida como teoria BCS, onde é assumida a formação de pares de elétrons ligados que carregam a supercorrente e a existência de um gap de energia entre os estados normal e supercondutor. Os resultados de Ginzburg e Landau são bem descritos no formalismo da teoria BCS. No mesmo ano, utilizando-se da teoria de Ginzburg-Landau, Abrikosov mostra que existe uma segunda classe de supercondutores onde um campo magnético suficientemente forte pode penetrar na amostra como tubos de fluxo quantizado que tomam a forma de linhas de vórtice. A minimização da energia de interação entre os vórtices mostra um estado de equilíbrio em forma de uma rede triangular (ou hexagonal) denominada rede de Abrikosov. Esses novos supercondutores são chamados de supercondutores do tipo II. Na presença dos vórtices, as propriedades de diamagnetismo e condutividade perfeita são reduzidas. Os supercondutores do tipo II possuem uma ampla região no diagrama de fases onde o campo magnético externo penetra no interior do material formando o que foi chamado de estado misto.
O descobrimento em 1986 dos supercondutores de alta temperatura crítica por Bednorz e Muller despertou um grande interesse pela física dos vórtices. A nova fenomenologia se combinou com importantes avanços alcançados na física estatística de sistemas desordenados. Isto conduziu a uma revisão completa das fases de vórtices para supercondutores com distintos tipos de desordem. As propriedades dinâmicas dos vórtices em torno do equilíbrio são muito diferentes em cada fase e, portanto, servem para caracterizar os novos líquidos e vidros de vórtices.
Ímã flutuando sobre a superfície de um material supercondutor
O que é
Um material supercondutor é aquele que
apresenta, simultaneamente, duas propriedades:
baixíssima (quase nula) resistência à
passagem de corrente elétrica e diamagnetismo
perfeito.
Fronteiras 40
Um supercondutor apresenta resistência nula
(curva R x T vai para zero na temperatura
crítica) e diamagnetismo perfeito (indicado
pela seta) denominado de efeito Meissner.
Para T > TC, o material está no estado normal
e o campo magnético penetra
completamente. Para T < TC, o material está
no estado supercondutor e o campo
magnético é expulso do interior do material.
Esta última propriedade é definida como o
estado em que acontece a expulsão do interior
do material (parcial ou completa) do campo
magnético aplicado externamente. É conhecida
como efeito Meissner-Hochsenfeld, ou, simplesmente,
efeito Meissner. Quando o material
supercondutor é esfriado, ele apresenta essas
duas propriedades a partir da denominada
temperatura crítica (TC), na qual o material
transiciona do estado normal para o estado
supercondutor. As diferentes aplicações dos
supercondutores estão limitadas basicamente
pelo valor de TC, pelo valor do campo crítico
(HC) e pela densidade de corrente crítica (JC),
definidos como os valores de campo e corrente
que destroem o estado supercondutor quando
esfriado abaixo de TC. Esses três parâmetros
definem uma superfície tridimensional dentro
da qual o material se encontrará no estado
supercondutor, e fora, no seu estado normal.
Em um condutor normal (isto é, não
supercondutor), uma corrente elétrica diminui
rapidamente devido à resistência do material à
passagem dessa corrente. Já os materiais supercondutores
conduzem eletricidade com
praticamente nenhuma resistência, nada da energia
elétrica é perdida quando ela flui através de
um supercondutor. Assim, em um supercondutor,
uma corrente continuaria a fluir para sempre, porque
nenhuma resistência lhe é oferecida. Por
exemplo, as correntes induzidas em um anel
supercondutor persistem por muitos anos sem
diminuírem, mesmo não havendo nenhuma
bateria alimentando o circuito.
Sistema de cabos supercondutores - Nova Iorque
Aplicações
Em termos de intensidade de campo magnético, hoje é possível
fabricar magnetos enrolados com fio supercondutor que atingem
campos de até 60 T (teslas) operando no modo contínuo, e de até
250 T no modo pulsado. Para termos uma idéia da magnitude
relativa desses valores, é interessante lembrar que o campo
magnético terrestre é da ordem de 5 x 10-5 T. A possibilidade de
criar esses campos intensos permite as aplicações em grande escala
mencionadas anteriormente.
Motores elétricos supercondutores eficientes poderiam ser
usados em uma nova classe de transportes terrestres e marítimos,
dando lugar a uma nova geração de trens, carros e navios. Um
exemplo disto é o MAGLEV anteriormente mencionado. O mesmo
consiste em um trem (ainda em fase de desenvolvimento de
protótipos) que alcança velocidades da ordem de 600 km/h. Os trens
MAGLEV são mais rápidos que os convencionais (como o TGV
francês) porque flutuam cerca de dez centímetros acima dos trilhos,
em um "colchão magnético". Eliminando as rodas convencionais e
fazendo o trem flutuar, o atrito já não limita a velocidade. Nesse
caso, apenas existiria o atrito com o ar, que é quase eliminado por
meio da aerodinâmica do veículo.
No que diz respeito à geração de energia, o uso da supercondutividade
pode significar uma enorme economia em comparação
com os sistemas convencionais atualmente em uso. Usando
supercondutores, é possível desenvolver um campo magnético
muito mais forte do que aquele obtido por um gerador convencional,
permitindo ao gerador supercondutor ser menor
fisicamente para a mesma produção de energia. Outra vantagem é
que a resistência elétrica associada ao fluxo de eletricidade nos
enrolamentos do motor do gerador convencional não está presente
nos supercondutores. Esse aumento na eficiência poderia, no final,
reduzir expressivamente os custos, assim como diminuiria a polui-
ção química e térmica.
Com relação ao armazenamento, não existe ainda nenhum
método eficiente para grandes quantidades de eletricidade. Um
sistema conhecido como SMES (da sigla em inglês superconducting
magnetic energy storage), formado por grandes bobinas
supercondutoras subterrâneas, seria capaz de armazenar grandes
quantidades de eletricidade por longos períodos de tempo. O SMES
seria conectado à rede de energia da comunidade. Durante o
Supercondutores
período de baixa demanda, a eletricidade em excesso seria
Fronteiras 44
Seção transversal de fio
multifilamentar utilizado em
enrolamento de magnetos
supercondutores para
diversas aplicações de grande
escala.
dez|2002
Fronteiras 45
acumulada pelo SMES e, nos períodos de demanda intensa, a
eletricidade seria devolvida pelo mesmo, sem nenhum tipo de perda
decorrente do armazenamento. O SMES é baseado no fato de que
uma corrente elétrica num supercondutor continua circulando
indefinidamente (corrente chamada de persistente).
No campo da física de altas energias, magnetos supercondutores
permitem gerar intensos campos magnéticos; por isso, são aplicados
em grandes máquinas, chamadas de aceleradores, utilizadas no
estudo das partículas elementares da física. Por exemplo, no
acelerador Tevatron, que é um anel de aproximadamente 30 km de
diâmetro, há cerca de mil magnetos supercondutores feitos de uma
liga de nióbio-titânio e esfriados em hélio líqüido.
Os impulsionadores de massa, máquinas que funcionam de
maneira análoga aos aceleradores de partículas mencionados
anteriormente, seriam utilizados para acelerar objetos macroscópicos
até altas velocidades, para então lançá-los com o objetivo
de viajar longas distâncias (na Terra ou no Espaço).
Os reatores para fusão nuclear são um mecanismo de obtenção
de energia que, ao contrário da fisão nuclear, não tem associado
qualquer tipo de resíduo radiativo. Assim, será uma das alternativas
energéticas do futuro. Qualquer sistema comercial para obter
energia por fusão nuclear (por exemplo, aquele conhecido como
Tokamak) deverá utilizar eletroímãs supercondutores, porque a
energia requerida ao utilizar eletroímãs convencionais seria uma
fração significante da energia produzida pelo dispositivo.
Fontes: DEE - UFRJ / Revista Univerciencia - UFSCAR
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