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O Mundo das Baixas Temperaturas: Supercondutividade, campos magnéticos e outras histórias Luis Ghivelder Laboratório de Baixas Temperaturas Instituto de Física - UFRJ Freezer - 20 C Geladeira 5 C Gelo seco (CO2 sólido) - 78 C (195 K) Usado para guardar sorvete Antártica - 89 C ( 184 K ) Temperatura mais fria ja registrada na terra Lua de Netuno, Triton - 235 C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço - 270.4 C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang Gelo seco (CO2 sólido) - 78 C (195 K) Usado para guardar sorvete Cosmic Background Explorer (COBE) Antártica - 89 C ( 184 K ) Temperatura mais fria ja registrada na terra Lua de Netuno, Triton - 235 C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço - 270.4 C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang O Zero Absoluto !!! -273,2 C Lord Kelvin (1824 -1907) Como fazer experimentos a baixas temperaturas ??? Nitrogênio líquido - 196 C ou 77 K Hélio líquido 4.2 K ( -269 C ) Hélio líquido bombeado 1.4 K ( - 272 C ) He3 bombeado 0.3 K Isótopo do Hélio com 2 prótons e apenas 1 nêutron Muito baixas temperaturas Refrigerador de Diluição (He3/He4) 0.01 K (10 mK) Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ T min = 0.05 K T (K) Dentro de estrelas quentes Derretimento do gelo (0 °C) Nitrogênio líquido Hélio líquido espaço 4Hélio superfluido Dentro do sol Explosão nuclear Nebulósa estelar Derretimento do ferro Derretimento do gelo (0 °C) 3Hélio superfluido Menor temperatura do 3Hélio Menor temperatura de elétrons em um metal Menor temperatura de núcleos em um sólido Zero absoluto Supercondutividade Resistência elétrica nula A descoberta da supercondutividade Kammerlingh Onnes (1853 – 1926) Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores Os elementos supercondutores Li Temperatura de transição (K) Campo magnértico crítico (mT) Be 0.026 Na Mg B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Ge As Se Br Kr Sb Te I Xe Bi Po At Rn 1.14 10 K Ca Rb Cs Sr Ba Sc Y Ti V Cr 0.39 10 5.38 142 Zr Mn Fe Fe Co Ni Cu Zn Ga 0.875 1.091 5.3 5.1 Nb Mo Tc Ru Rh 0.546 4.7 9.5 198 0.92 9.5 7.77 141 0.51 7 0.03 5 La Hf Ta W Re Os Ir 6.0 110 0.12 1.4 20 0.655 16.5 0.14 1.9 4.483 0.012 83 0.1 Pd Pt Ag Au Cd In Sn 0.56 3 3.4 29.3 3.72 30 Hg Tl Pb 4.153 41 2.39 17 7.19 80 Nb Bons condutores não são supercondutores (Nióbio) Elementos magnéticos não são supercondutores Tc= 9K Tc mais alto Efeito Meissner (1933) O campo magnético é nulo dentro de um supercondutor Campo magnético Corrente Campo Material gerado elétrica magnético Supercondutor pelas superficial externo correntes superficiais Expulsão do campo magnético BA BA i i i Diamagnetismo perfeito Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética Supercondutores tipo II T > TC tipo I Campo magnético penetra somentenuma pequena profundidade λL VÓRTICES tipo II Campo magnético penetra em “tubos” de diâmetro λL formando regiões normais dentro do material Supercondutores tipo II VÓRTICES 0.1 micron = 1 x 10-4 mm Vórtices Corrente Supercondutor tipo II Limitador para aplicações práticas CORRENTE CRÍTICA Para uma dada temperatura T, a amostra só é supercondutora abaixo de um campo crítico Hc O que torna os materiais supercondutores ??? Teoria BCS - 1957 Bardeen, Cooper, e Schrieffer Interação dos elétrons com a rede forma pares de elétrons, que atravessam o material livremente A grande descoberta de 1986 Supercondutividade de Alta Temperatura O primeiro: LaBaCuO 40 K / -233 ºC O mais estudado: YBaCuO 92 K / -181 ºC O recorde: HgTlBaCaCuO Bednorz e Müller 138 K / -135 ºC Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras Temperatura de transição supercondutora (K) Materiais Supercondutores HgBa2Ca2Cu3O9 160 (sob pressão) 140 HgBa2Ca2Cu3O9 120 TlBaCaCuO BiCaSrCuO 100 YBa2Cu3O7 Temperatura do Nitrogênio Líquido (77K) 80 60 (LaBa)CuO 40 20 HgPb Nb 1910 NbC NbN 1930 Nb3Sn Nb3Ge V3Si 1950 1970 1990 A supercondutividade ocorre em planos de CuO2 YBa2Cu3O7- Vórtices em panquecas Aplicações práticas de supercondutividade Geração de campos magnéticos Fios supercondutores Nb3Sn NbTi BiSrCaCuO-Ag MgB2 Construindo solenóides supercondutores (I) Aplicações na física da matéria condensada - materiais Os solenóides supercondutores são colocados em criostatos, para realização de experimentos combinando baixas temperaturas e altos campos magnéticos “Quench” do magneto supercondutor Estudo do comportamento de materiais em condições extremas Construindo solenóides supercondutores (II) Aplicações na física nuclear de altas energias Construindo solenóides supercondutores (III) Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnética Vamos entender a magnitude de alguns campos magnéticos Corpo humano 3 x 10-10 T / 3 x 10-6 Oe Terra 3 x 10 -5 T / 0.3 Oe Imã de geladeira Auto-falante 0.3 T/ 3000 Oe Solenóide convencional (eletroimã) 0.5 a 2 T / 50 a 200 kOe Solenóide supercondutor 5 a 20 T / 50 a 200 kOe Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (I) Máximo campo contínuo: combinando solenóides supercondutor e convencional – H = 45 T NHMFL – FLORIDA, USA: supercondutor 11.5T, resistivo 33.5T consumo 36MW, energia armazenada – 100MJ Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (II) Campos magnéticos pulsados, até H = 300 T Banco de Capacitores LNCMP – Toulosse, França Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (III) Magnetos destrutivos, até H = 1000 T em alguns microsegundos Porque realizar esses estudos ??? Aplicações ou ciência básica ?? Não leve essa aula muito a sério... apenas relaxe e desfrute. Vou contar para você como a natureza se comporta. Se você simplesmente admitir que ela se comporta dessa forma, você a encontrara encantadora e cativante. Mas não fique perguntando para si próprio: “mas como ela pode ser assim?” porque nesse caso você entrará em um beco sem saída do qual ninguém nunca escapou. Ninguém sabe porque a natureza é assim. Richard Feynman Prêmio Nobel de Física em 1965 pela descoberta da eletrodinâmica quântica Fim… Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento de levitação de um imã sobre um material supercondutor
