Baixas temperaturas e supercondutividade
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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 è - 20 °C Geladeira è 5 °C Luis Ghivelder Gelo seco (CO2 sólido) è - 78 °C (195 K) Usado para guardar sorvete Antártica è - 89 °C ( 184 K ) Temperatura mais fria ja registrada na terra Lua de Netuno, Triton è - 235 °C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço è - 270.4 °C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang Luis Ghivelder Gelo seco (CO2 sólido) è - 78 °C (195 K) Usado para guardar sorvete Cosmic Background Explorer (COBE) Antártica è - 89 °C ( 184 K ) Temperatura mais fria ja registrada na terra Lua de Netuno, Triton è - 235 °C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço è - 270.4 °C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang Luis Ghivelder Luis Ghivelder O Zero Absoluto !!! -273,2 °C Lord Kelvin (1824 -1907) Como fazer experimentos a baixas temperaturas ??? Nitrogênio líquido è - 196 °C ou 77 K Luis Ghivelder Luis Ghivelder Hélio líquido è 4.2 K ( -269 °C ) Hélio líquido bombeado è 1.4 K ( - 272 °C ) He3 bombeado è 0.3 K Isótopo do Hélio com 2 prótons e apenas 1 nêutron Luis Ghivelder Muito baixas temperaturas Refrigerador de Diluição (He3/He4) 0.01 K (10 mK) Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Luis Ghivelder Supercondutividade Resistência elétrica nula Metal normal A descoberta da supercondutividade Kammerlingh Onnes (1853 – 1926) Luis Ghivelder Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr, Kamerlingh Onnes (1919) Luis Ghivelder Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores Luis Ghivelder 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 Mn Fe Fe Co Cu Zn Ga 0.875 1.091 5.3 5.1 Zr 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 Ni 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 Luis Ghivelder Efeito Meissner (1933) O campo magnético é nulo dentro de um supercondutor Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Supercondutores tipo II VÓRTICES 0.1 micron = 1 x 10-4 mm Vórtices Corrente Supercondutor tipo II Luis Ghivelder Limitador para aplicações práticas CORRENTE CRÍTICA Para uma dada temperatura T, a amostra só é supercondutora abaixo de um campo crítico Hc Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder A supercondutividade ocorre em planos de CuO2 YBa2Cu3O7-δ Vórtices em panquecas Estrutura cristalina determinada através de difração de raios-x Luis Ghivelder Novos materiais supercondutores vem sendo descobertos periodicamente 1987 YBaCuO (HTSC) 1999 MgB2 2008 BaKFeAs (pinictideos) Muitas questões em aberto: Mecanismos resposnsaveis pela supercondutividade Aplicações Luis Ghivelder Aplicações práticas de supercondutividade Geração de campos magnéticos Fonte de potência Luis Ghivelder Futuro curso de Física III A Terra Espira Fio retilíneo Solenóide Fontes de campos magnéticos Imã Luis Ghivelder Fios supercondutores Nb3Sn NbTi BiSrCaCuO-Ag MgB2 Luis Ghivelder Construindo solenóides supercondutores (I) Aplicações na física da matéria condensada - materiais Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Construindo solenóides supercondutores (II) Aplicações na física nuclear de altas energias Luis Ghivelder Construindo solenóides supercondutores (III) Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnética Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Solenóide convencional (eletroimã) 0.5 a 2 T / 50 a 200 kOe Solenóide supercondutor 5 a 20 T / 50 a 200 kOe Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (ii) Campos magnéticos pulsados, até H = 300 T Banco de Capacitores LNCMP – Toulosse, França Luis Ghivelder Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (iii) Magnetos destrutivos, até H = 1000 T em alguns microsegundos Porque realizar esses estudos ??? Aplicações ou ciência básica ?? Luis Ghivelder 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 Luis Ghivelder Fim… Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento de levitação de um imã sobre um material supercondutor Luis Ghivelder O Laboratório de Baixas Temperaturas PPMS SQUID VSM Mili Kelvin Preparação de materiais Helio liquido Há vários alunos de IC e pós graduação trabalhando Venha conhecer !!! Luis Ghivelder
