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ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… CAPÍTULO 05 MATERIAIS SUPERCONDUTORES E APLICAÇÕES Prof. Dr. Vitaly F. Rodríguez-Esquerre ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… MATERIAIS SUPERCONDUTORES Supercondutividade Tipos de Supercondutores Efeito Meissner Temperatura, Corrente e Campos Críticos Teoria BCS e London; Aplicações ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Resistência elétrica nula ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… “o mercúrio a 4,2 K entra em um novo estado, o qual, devido a suas propriedades elétricas, pode ser chamado de estado de supercondutividade’’ Kamerlingh Onnes (1911) ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Tc(K) Nitrogênio líquido (barato) Hélio líquido (caro) 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Hg-Ba2Ca2Cu2O8-X TI-Ba-Ca-Cu-O Bi-Sr-Ca-Cu-O YBa2Cu3O7-X La-Sr-Cu-O NbN Nb3Ge La-Ba-Cu-O Hg 1910 1930 1950 1970 1990 ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Tipos de Supercondutores Supercondutores do tipo I Supercondutores do tipo II ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Tipos de Supercondutores ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Supercondutores do tipo I • Supercondutores de baixas temperaturas • Abrangem a maior parte dos condutores metálicos. • Efeito Meissner. • Resistência nula e diamagnetismo Perfeito (E=0). ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Supercondutores do tipo II • Supercondutores de altas temperaturas • Pequenas penetrações das linhas de campo magnético para dentro do material. • Suportam correntes mais fortes que os primeiros • Mais promissores de possíveis aplicações. ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Ímã permanente Supercondutor Repulsão de campos magéticos ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… T<Tc Tipo I: Campo magnético penetraTipo II: Campo magnético em pequena quantidade penetra em forma de “tubos” formando regiões normais ao material ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Note: of all the metallic superconductors, only NbTi is ductile. All the rest are brittle intermetallic compounds 2000 MgB2 at 5K Jc (A/mm2) MgB2 at 5K NbTi at 5K 1000 0 0 B (T) MgB2 4 8 ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Teoria BCS Bardeen, Cooper, and Schrieffer Earns Nobel Prize in 1972 ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Teoria BCS Bardeen, Cooper, and Schrieffer Earns Nobel Prize in 1972 ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Para um material supercondutor a uma temperatura abaixo da temperatura crítica, o campo crítico depende da temperatura de acordo com a relação abaixo: onde HC(0) é o campo crítico a 0 K. a) Usando os dados da tabela em anexo calcule os campos magnéticos críticos para o mercúrio a 2.0 e 3.5 K. b) A que temperatura deve o mercúrio ser resfriado em um campo magnético de 15,000 A/m para tornar-se supercondutor? 5a Q) Usando a equação da 4a questão, determine qual dos elementos supercondutores da tabela em anexo são supercondutores a 2K com um campo magnético de 40,000 A/m aplicado. ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Parent structure LaCuO3 (related to perovskite, CaTiO3) Rare earth doped material YBa2Cu3O7 : “1-2-3 type” superconductor ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Transformadores Supercondutores •- Redução nas perdas totais - 30% •- Redução em peso – 45% •- maior capacidade de operação em sobrecarga -Não empregam óleo isolante (o nitrogênio líquido age como refrigerante e isolante) – •reduz impacto ambiental e riscos de incêndio •Exemplos de protótipos: •ABB (1997) – 630 kVA ; 18,7kV/420V testado na rede elétrica de Genebra •Oak Ridge National Lab, EUA (2003) – 5 MVA ; 24,9kV / 6,9kV • ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… LIMITADORES DE CORRENTE ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Projeto CURL 10 Limitador 10kV / 10 MVA 2004 – ACCEL / NEXANS – Alemanha Testado em campo com sucesso • 600 litros de Nitrogênio Líquido • Potência dos cryocoolers = 1450 W: - perdas térmicas do criostato - perdas ôhmicas nos conectores de cobre ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… DC Superconductor Cable 765KV Transmission Lines Power Loss(1) 3% Varies with design Storm/Security Risk Low High Precise Control for Efficient Markets Yes No Simple Complicated Requires Rebuild of Underlying Grid No Yes “Black Start” Capability Yes No Permanent Right of Way 3 ft. 400-600 ft. Aesthetics Good Bad Electromagnetic Field None High No Yes Efficiency Savings Per Year(2) $230 million n/a CO2 Emission Savings Per Year(2) 3 million tons n/a $8 million for 5 GW pipe $13 million fully redundant $9-10 million minimum Siting Performance Metric Cost Allocation Method Cost New Land Required Cost Per Mile(3) (1) Cooling and converter stations for DC cable; line and substation losses for 765 kV. (2) Based on generation cost of $0.065 per kW-hr and a 100% load factor. (3) $13 million per mile cable cost based on fully redundant system. 765 kV cost does not include rebuild of underlying grid. ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… IMAS ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Superconducting solenoids small superconductin g solenoids for research applications a large solenoid in routine commercial operation for the magnetic separation of Kaolin (china clay) ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… CMS solenoid 4T at 20,000A 6 m diameter 12.5m long stored energy 27000MJ ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… Josephson Effect ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… ENGA47 – TECNOLOGIA DOS MATERIAIS… 2 (2eV )t I I c sin o I o sin( 2ft ) h 2eV f h The current oscillates at a frequency f and hence radiates EM waves at this frequency. This current oscillation frequency depends only on e, h and V f = 2e/h = 483,597.9 GHz per volt. 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