Materiais Supercondutores, Notas de estudo de Física. Universidade Federal do Pará (UFPA)
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Propriedades dos materiais supercondutores e aplicações
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Materiais Supercondutores Materiais Elétricos

Faculdade de Engenharia Elétrica e Biomédica

Daniel Sousa de Sena – Universidade Federal do Pará - [email protected]

Dílson de Assis Batista Neto – Universidade Feral do Pará – [email protected] Lukas Fellype Miranda Santos – Universidade Feral do Pará – [email protected]

RESUMO

Os materiais supercondutorres são considerados eventos quânticos que se manifestam em

escala macroscópica, eles podem conduzir eletricidade sem resistência elétrica a temperaturas acima

do zero absoluto. Além de conduzirem eletricidade sem perdas, supercondutores também transportam

quantidades muito grandes de corrente em condutores de pequena seção transversal. A passagem da

condutividade elétrica normal para supercondutividade ocorre abruptamente em uma temperatura

crítica Tc. As qualidades dos supercondutores criaram sonhos de equipamentos de potência

revolucionários e sistemas de transmissão que operariam com eficiência incrível. Os supercondutores

são utilizados desde a indústria médica até a aeroespacial e, dentre as suas várias aplicações, podemos

destacar a sua viabilidade na indústria de energia elétrica, onde podem ser aplicados para cabos de

transmissão: oferecendo benefícios significativos na transmissão de potência sem perdas, e em

motores: onde essa tecnologia pode ser aplicada a máquinas rotativas a fim de produzir aparelhos mais

compactos, poderosos e eficientes.

Palavras-chave: supercondutor; magnetismo; tranmisão de energia sem perdas; resistência elétrica nula.

ABSTRACT

Superconducting materials are considered quantum events that manifest themselves on a

macroscopic scale; they can conduct electricity without electrical resistance at temperatures above

absolute zero. In addition to conducting electricity without loss, superconductors also carry very large

amounts of current in conductors of small cross-section. The passage from normal electrical

conductivity to superconductivity occurs abruptly at a critical temperature Tc. The qualities of the

superconductors created dreams of revolutionary power equipment and transmission systems that

would operate with incredible efficiency. Superconductors are used from the medical industry to the

aerospace industry and among their various applications we can highlight their viability in the electric

power industry where they can be applied to transmission cables: offering significant benefits in

lossless power transmission, and in engines: where this technology can be applied to rotary machines

in order to produce more compact, powerful and efficient machines.

Keywords: superconductor; magnetism; lossless power transfer; electrical resistance.

INTRODUÇÃO

A engenharia dos materiais é um campo interdisciplinar voltado à invenção de novos materiais

e ao aperfeiçoamento dos já conhecidos. A engenharia de materiais volta-se para análise de aplicação

e melhoria de desempenho a partir de um olhar da funcionalidade do material. Nesta etapa, também há

uma análise da relação custo x benefício que direciona a opção por este ou aquele material. Sendo por

isso, denominada de ciência aplicada [23,24].

A história da supercondutividade está repleta de desafios teóricos e desenvolvimentos práticos.

A supercondutividade foi descoberta em 1911 por Kamerlingh Onnes. Próximo de 75 anos após esse

avanço em 1986 foi sintetizado por Bednorz e Müller, um supercondutor de óxido sensível à

temperatura (Tc), aproximadamente igual a 35 K. Este novo avanço deu um enorme impulso a esse

assunto fascinante. Desde essa descoberta, há uma grande quantidade de laboratórios em todo o

mundo envolvidos na pesquisa de supercondutores com valores elevados de Tc, denominados "seus

principais condutores Tc" (HTS). A descoberta de um supercondutor de temperatura ambiente tem sido

um sonho de muitos cientistas. As aplicações tecnológicas e práticas dessa descoberta devem ser

admiráveis.

Este artigo é destinado a propagar e explicar como funcionam as aplicações práticas de

materiais supercondutores, bem como possíveis aplicações futuras, destacando a sua aplicação no

ramo da indústria de energia elétrica e em transportes.

ESTADO SUPERCONDUTOR

Há 100 anos, em 1911, na universidade de Leiden (Holanda), Heike Kamerlingh Onnes [1], em seu laboratório [2], observou pela primeira vez um dos fenômenos mais surpreendentes que a natureza pode exibir: a supercondutividade. Poucos anos antes (em 1908), Onnes tinha liquefeito o hélio (também pela primeira vez), baseado no princípio do processo de Linde, onde o hélio gasoso era submetido a sucessivos ciclos de resfriamento unidos em ‘cascata’, usando, dentre outras substâncias, ar líquido, obtendo assim temperaturas inferiores a 4 K. Neste novo regime de temperatura, Onnes investigou o comportamento da resistência elétrica para vários metais. Algumas idéias da época [3] sugeriam que haveria uma queda contínua da resistência, que se anularia a zero Kelvin. Outra perspectiva era que a resistência a zero Kelvin seria infinita, pois os elétrons responsáveis pela condução se ‘congelariam’. A despeito dessas propostas, Onnes observou um fato inesperado (em particular para o mercúrio). O mercúrio foi um dos metais selecionados por ser mais fácil de obtê-lo com elevado grau de pureza. Os demais metais investigados demonstraram uma resistividade residual, o que Onnes interpretou como a presença de impurezas. A queda abrupta da resistência do mercúrio em torno de 4,2 K intrigou [4, 5] Onnes (essa temperatura foi classificada como temperatura crítica - TC, abaixo da qual o sistema se encontra no estado supercondutor devido à ocorrência de uma

transição de fase). Tal comportamento era totalmente inesperado, dado o estado rudimentar das teorias da condutividade vigentes na época.

Outros materiais com temperaturas críticas cada vez maiores foram sendo descobertos aos

poucos durante as cinco primeiras décadas da pesquisa da supercondutividade. Todos esses

supercondutores eram elementos metálicos puros ou compostos químicos de dois ou mais metais. Mas,

da década de 1960 até meados da década de 1980, o valor máximo da Tc não conseguiu ultrapassar 20

K, nível bastante baixo.

Tudo isso mudou em 1986, com a descoberta da supercondutividade de alta temperatura de

uma série de compostos químicos baseados em óxido de cobre. Durante os primeiros anos após essa

descoberta, os valores da Tc dispararam com o óxido de mercúrio-bário-cálcio-cobre tendo Tc de cerca

de 130 K. Foi um período fantasticamente empolgante, mas logo se tornou claro que a teoria

predominante de como se origina a supercondutividade – conhecida como teoria BCS – não explica a

ausência de resistência nesses materiais. Após duas décadas de esforço, ainda carecemos de uma teoria

definitiva de como ou por que os compostos de óxido de cobre são supercondutores.

Esses compostos também representam uma série de desafios físicos. Inicialmente, eram

difíceis de produzir em forma de cristal único ou com alta pureza, dificultando as medições de suas

propriedades fundamentais. Além disso, a síntese de fios não é fácil: ao contrário dos compostos

supercondutores intermetálicos, os grãos individuais que compõem parte de um desses óxidos

precisam ser alinhados entre si para que o fio tenha propriedades úteis de engenharia. Esses problemas

fizeram com que os pesquisadores e engenheiros buscassem uma substância com as propriedades

materiais mais fáceis dos supercondutores intermetálicos, mas com temperatura crítica

significativamente superior a 20 K.

Na alvorada do novo milênio, o estado de supercondutividade podia ser obtido com graus

variados de facilidade e custos. Nos óxidos, a supercondutividade era viável ao redor de 77 K, nível

alcançado com relativa facilidade banhando-se o material em nitrogênio líquido. os compostos

intermetálicos mais antigos, como a ligação nióbio-estanho, vinham sendo usados em laboratórios e

como ímãs médicos operando a temperaturas mais próximas de 4 K, que podem ser alcançadas com

hélio líquido.

OS SUPERCONDUTORES TIPO I E TIPO II

Figura SEQ Figura \* ARABIC 1- Heike Kamerlingh Onnes. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MATO GROSSO DO SUL, 2, 2010, Mato Grosso da

Sul. Estudosobre Supercondutividade e suas aplicações. Mato Grosso do Sul, 2010.

Disponível em: <http://fisica.uems.br/curso/tcc/tcc2010/michael.pdf >. Acesso em:

30 /11/2017.

Uma característica comum aos supercondutores é a transição de fase (figura 2 em

que sobre certas condições um material passa de um estado não supercondutor para um

estado supercondutor). O fato de um material transacionar entre dois estados e de forma

reversível e controlada, facilitou o avanço nas pesquisas neste ramo do conhecimento,

pois uma mesma amostra poderia ser ensaiada inúmeras vezes sem prejuízo ou

deterioração de suas características.

Figura 2 - Apresenta a transição de fase entre o estado normal e o estado supercondutor mostrando a

relação Energia x Temperatura entre os estados, sendo T c o ponto de transição entre estados. Fonte:

(CALLISTER, 2008).

Os supercondutores são classificados de duas maneiras: supercondutores do tipo I e os

do tipo II. Os primeiros são aqueles que apresentam o efeito Meissner quando resfriados

abaixo de Tc. Ou seja, apresentam uma transição abrupta entre o estado normal e o

supercondutor e ainda, a maior parte deles são constituídos de metais puros e possuem

baixos valores de Hc e Tc., sendo por isso seu uso de difícil aplicação prática.

Os supercondutores do tipo II, que se caracterizam por ter elevados valores de Tc e

Hc. O Nb é uma exceção, pois é o único elemento puro que apresenta supercondutividade

do tipo II, cuja Tc é da ordem de 9,6K, apresentam uma transição mais gradual entre os

estados normal e supercondutor, passando por um estado chamado estado misto, fato que

se observa em ligas metálicas e cupratos. Apresentam no estado misto valores

intermediários de Hc1 (fim do estado Meissner e início do estado misto) e Hc2 (fim do estado

misto e da supercondutividade do material- início da fase normal).

PROPRIEDADES DOS SUPERCONDUTORES

TEMPERATURA CRÍTICA (TC)

A temperatura na qual a resistência elétrica é igual a zero é chamada de temperatura

crítica (Tc) e varia de acordo com o material. As temperaturas críticas sãoatingidas por meio do

resfriamento do material com hélio ou nitrogênio líquido . Nas pesquisas com novos materiais

observou-se que somente com o uso de metais não era possível elevar a temperatura crítica,

descobrindo-se então os materiais cerâmicos (ver Tabela 1, alguns metais e suas temperaturas

críticas).

Tabela SEQ Tabela \* ARABIC 1 - Temperatura Crítica (Tc) de alguns Supercondutores MATERIAL TIPO TC (K)

ZINCO METAL 0,88

ALUMÍNIO METAL 1,19

ESTANHO METAL 3,72

MERCÚRIO METAL 4,15

CERÂMICA 90

CERÂMICA 125

Como esses materiais não possuem resistência elétrica, o que significa que os elétrons

podem se deslocar livremente através deles, eles podem transmitir grandes quantidades de

corrente elétrica por longos períodos sem perder energia na forma de calor. Foi comprovado que

Fonte: Universidade estadual de ponta grossa, 3, 2010, Ponta Grossa. Processamento, Caracterização

e Estudo de Fenômenos Críticos nos Sistemas Supercondutores. Ponta Grossa, 2010.

malhas de fios supercondutores podem transmitir correntes elétricas por centenas de anos sem

nenhuma perda considerável. Essa propriedade tem implicações para a transmissão de energia

elétrica, se as linhas de transmissão puderem ser feitas de cerâmicas supercondutoras, e para

dispositivos de armazenamento de energia elétrica.

CAMPO MAGNÉTICO CRÍTICO (HC)

A propriedade mais conhecida de um supercondutor é a inexistência de resistência elétrica em temperaturas inferiores ao valor crítico TC quando o sistema é percorrido por uma corrente contínua. Este fenômeno contrasta fortemente com o comportamento da resistividade elétrica de um metal normal em baixas temperaturas. Porém a aplicação de um campo magnético externo ao supercondutor produz uma diminuição da temperatura em que a resistência se anula. Se o campo for suficientemente forte, ocorre a supressão total do estado supercondutor e o metal adquire um comportamento elétrico normal, com resistividade diferente de zero em qualquer temperatura. Observações detalhadas mostram que existe um campo magnético crítico (HC), que é uma função da temperatura, acima do qual a supercondutividade é desestabilizada. A figura 3 mostra a variação da indução magnética crítica no metal chumbo (Pb) em função da temperatura. [14]

.

Figura 3 - Variação da indução magnética crítica H no metal chumbo (Pb) em função da

temperatura T.

Fonte: Escola politécnica de ensino de física, 1, 2008, Rio de Janeiro. Estudo e Simulações do

dispositivo limitador de corrente de curto circuito supercondutor Rio de Janeiro, 2008.

Os valores de campo magnético crítico em geral observados nos elementos supercondutores

são baixos. Por outro lado, a existência de um campo magnético crítico sugere que a

supercondutividade e o magnetismo são fenômenos mutuamente excludentes.

O EFEITO MEISSNER

Quando o campo magnético externo é aplicado, ocorre o aparecimento de uma corrente

elétrica no supercondutor. Esta corrente elétrica por sua vez, gera um campo magnético exatamente de

mesmo módulo do campo externo, mas com sentido contrário. Desta forma a soma do campo

magnético externo e interno é igual à zero, ou seja, o campo externo não penetra no material

supercondutor.

Desde a descoberta de Onnes até 1933, nenhum desenvolvimento significativo foi alcançado

no campo da supercondutividade. Metais e ligas supercondutoras foram sendo descobertas, mas sem

grande impacto. Durante esse período acreditava-se que as previsões feitas sobre o comportamento

magnético de um condutor perfeito eram verdadeiras para um supercondutor. Porém, em 1933, os

alemães Karl Walther Meissner [6] e Robert Ochsenfeld [7] verificaram que as propriedades reais de

um supercondutor não são equivalentes as de um condutor perfeito [8, 9]. Eles descobriram que a

distribuição do campo magnético no interior de um supercondutor era sempre nulo, independente das

condições iniciais (da história da magnetização). O fenômeno passou a ser conhecido e denominado

como efeito Meissner [10]. A Fig. 4 apresenta uma ilustração do efeito Meissner. As linhas de indução

são expulsas espontaneamente do interior da amostra supercondutora, o que caracteriza um

diamagnetismo perfeito. Uma vez que o sistema se encontra abaixo da TC, haverá expulsão do campo

magnético, quer ele tenha sido aplicado antes ou depois do resfriamento.

Após a descoberta do efeito Meissner, ficou claro que as propriedades magnéticas de um

supercondutor não podiam ser compreendidas pela hipótese de um condutor normal com resistividade

zero. A supercondutividade passou a ser interpretada como um novo estado da matéria, o estado

supercondutor. Daí vem às designações ‘estado normal’ e ‘estado supercondutor’. Num condutor

perfeito o fluxo magnético na amostra é constante, enquanto que no supercondutor é zero,

caracterizando o efeito Meissner. O perfeito diamagnetismo apresentado por materiais

supercondutores poderá ser aplicado futuramente na fabricação de trens levitados magneticamente

[10] e pesquisas neste sentido já se encontram em andamento.

ImãMaterial SupercondutorBanho CriogênicoFigu a 4 - Ilustraçã do efeito Meissner. O material supercondutor se encontra i erso em

um banho criogênico (N2(l), por exemplo). Como as linhas de campo são expulsas do

supercondutor, o imã levita espo taneamente. Fonte: [33].

RESISTÊNCIA NULA

Nos supercondutores, a resistividade ρ é extremamente baixa (muito próxima de zero) abaixo

de Tc e o campo elétrico tem que sempre ser igual à zero (E= 0) em todos os pontos no interior de um

material supercondutor. Desta forma, a densidade de corrente J será finita e há fluxo de corrente elétrica sem campo elétrico aplicado. A mudança de resistividade nos supercondutores ocorre de

maneira abrupta e representa uma transição de fase termodinâmica [32].

A resistência nula, sem dúvida para a indústria de energia é a característica mais

desejada, pois significa transportar eletricidade (na forma de corrente) sem aquecimento e/

ou perda por efeito Joule. A figura 6 ilustra diferentes particularidades envolvendo a

resistência elétrica nos materiais supercondutores.

Apresenta a resistência nula a baixas temperaturas e ainda a influência da dopagem

(inserção de impurezas) na resistividade do material.

Porém, na prática não existem materiais perfeitamente livres de impurezas, então o

comportamento apresentado abaixo é teórico, contudo como veremos, ao longo do texto, as

impurezas são fundamentais para os materiais supercondutores particularmente para

aumentar a sua capacidade de transporte de corrente. Deste modo, ilustramos o

comportamento da resistência considerando a influência da dopagem de diversos materiais

na resistividade de um composto supercondutor.

AS EQUAÇÕES DE LONDON

Dentre as primeiras teorias elaboradas na tentativa de explicar o comportamento dos

supercondutores, destaca-se a de dois alemães: os irmãos London [11]. Suas famosas equações [12,

13] obtidas a partir de uma abordagem fenomenológica indicam a existência de um parâmetro

considerado fundamental: o comprimento de penetração London, representado por λ. Essa grandeza

mede a penetração (característica de cada material) do campo magnético na superfície lateral do

supercondutor. Vale ressaltar que a medida desse comprimento era o tema da tese de doutoramento de

Heinz London. O trabalho dos irmãos London foi publicado [11, 12] dois anos depois da descoberta

do efeito Meissner.

A teoria de London prevê a existência do efeito Meissner, visto que sua solução indica que o

campo tende à zero no interior da amostra. Porém, como se trata de uma teoria fenomenológica, ela

não é capaz de explicar o porquê deste comportamento. A teoria de London é baseada no modelo de

dois fluidos que assume a existência de elétrons normais e elétrons responsáveis pela

supercondutividade (os ‘superelétrons’). O modelo de dois fluidos considera que apenas uma fração

dos elétrons de condução se encontra no estado supercondutor.

As duas mais importantes equações de London são [14].

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