C - Bruno Lima, Giovanna Lanzara, Helena Schmitz, Rafael Teixeira

Supercondutividade
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Introdução.
Desenvolvimento:
9,5
- Capa
- Conselho: o trabalho ficou legal, completo com
tudo o que eu pedi. Entretanto, não usem tantas
caixas no texto corrido. Façam isso quando
precisarem representar algo
esquematicamente.
-Explicação do conceito.
- Contexto histórico do aparecimento.
-Principais cientistas envolvidos e atividades desenvolvidas por estes no
desenvolvimento do conceito.
- Exemplificação e aplicação do conceito.
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Bibliografia.
Grupo: Bruno Lima, Giovanna Lanzara, Helena Schmitz, Rafael Teixeira e Rafaela
Pavei.
Turma: 3001
CAPA, com sumário????
Introdução
Neste trabalho abordaremos sobre um dos temas da Física Moderna: a
supercondutividade, fenômeno caracterizado pela perda da resistência elétrica,
propriedade de certos materiais, quando submetidos a determinadas temperaturas.
Desde o contexto histórico e evolução, adentrando estudos que levaram a sua
descoberta e, os físicos responsáveis por isso, suas propriedades fundamentais,
noções sobre aplicações tecnológicas e custos, além de curiosidades.
Conceito
Primeiramente, é preciso entender a dinâmica de um material condutor,
geralmente os metais.
Corrente Elétrica
Quando um fio metálico não está conectado a
uma fonte de energia elétrica, os elétrons
livres dele movimentam-se de forma desordeNada. Após o fio ser submetido a uma
diferença de potencial elétrico, os elétrons
passam a se movimentar em uma mesma
direção e sentido, esse fluxo é a corrente
elétrica.
Condução em um metal
A resistência elétrica em um metal diminui
com a diminuição da temperatura. Pois as
vibrações dos íons, ocasionadas pelo
aquecimentos decrescem. E, os elétrons
livres (corrente elétrica), não se espalham
tanto, evitando colisões e, dessa forma a
perda de energia.
Resistência Elétrica
É a dificuldade enfrentada pela corrente elétrica
durante sua passagem no fio condutor, devido a
presença de imperfeições ou impurezas na rede
cristalina do metal e, também a vibrações
térmicas que deslocam os íons da sua posição
de equilíbrio. Esses dois acontecimentos fazem
com que os elétrons se espalhem, ao invés de
irem à direção da corrente, isso leva a colisões
entre eles e, uma consequente perde de
Alguns materiais, também condutores, possuem um comportamento diferente do
observado acima, como os supercondutores. A supercondutividade é uma propriedade
física que determinados materiais apresentam, quando esfriados a temperaturas
extremamente baixas. Por essa razão, conseguem conduzir corrente elétrica sem a
interferência da resistência, ou seja, sem a perda de energia elétrica.
A temperatura ideal para tal efeito ocorrer é chamada de crítica (Tc) ou de transição
e, é característica de cada material. É atingida por meio do resfriamento dele, através
da utilização de elementos como hélio ou nitrogênio líquidos, variando de, 0 graus
Kelvin, -273°C ( zero absoluto) a 77 K, -196°C (nitrogênio líquido).
Tc (K)
Nb
Pb
Ta
Sn
Zr
Bi
Ge
9.3
7.2
4.5
3.7
0.8
--
--
Valores de temperaturas críticas para alguns elementos metálicos. Os elementos Bi e
Ge não têm supercondutividade.
A teoria BCS, afirma principalmente que os elétrons em um material quando no
estado supercondutor, se agrupam em pares chamados Pares de Cooper- são elétrons
condensados em estados de menor energia.
Em muitos supercondutores, a interação atrativa entre elétrons
(necessariamente aos pares) é conduzida aproximada e, indiretamente pela interação
entre os elétrons e a estrutura do cristal em vibração (os fônons).
Se esta energia de ligação é mais elevada do que a energia fornecida por impulsos das
oscilações dos átomos no condutor (o que é verdadeiro a baixas temperaturas), então
os pares de elétrons mantêm-se juntos e resistem aos impulsos, não experimentando
resistência.
Como esses supercondutores não possuem resistividade elétrica, podem
transmitir grandes quantidades de corrente elétrica por longos períodos de tempo. Foi
comprovado que malhas desses fios conseguem transmitir correntes elétricas por
centenas de anos sem nenhuma perda considerável.
Entretanto, a resistividade elétrica nula não é a única condição para se alcançar
tal estado, outra propriedade fundamental é o Efeito Meissner: O estado diamagnético
perfeito. Tal propriedade foi observada por Meissner e Ochsenfeld em 1933. Qualquer
material, quando em contato com um campo magnético, é penetrado por ele. Todavia,
assim que ocorre a transição do estado normal para o estado supercondutor, os
campos magnéticos externos não podem penetrá-lo cancelando todo o fluxo interno.
Tal efeito é uma característica primordial na supercondutividade, visto que o
experimento demonstrou pela primeira vez que os supercondutores eram mais que
condutores perfeitos e forneceu uma definição unificada das propriedades do estado de
supercondutividade.
Um supercondutor caracteriza-se por dois efeitos:
Diminuição da resistência elétrica do material
para zero;
Torna-se um diamagnético perfeito, ou seja, todo
o seu fluxo magnético é exteriorizado.
Quando o material está a uma
temperatura menor que a crítica, os
campos
Magnéticos o penetram. Após ser
submetido à temperatura ideal para
comporta-se como supercondutor,
expulsa o campo magnético.
Contexto Histórico
Grandes avanços na área da refrigeração a baixíssimas temperaturas foram
feitos durante o século XIX. A supercondutividade foi primeiramente retratada
em 1911 pelo físico holandês, Heike Kamerlingh Onnes, na qual grande parte da sua
contribuição científica está no campo da refrigeração a temperaturas extremamente
baixas.
Por volta de 1908, em seu laboratório em Leiden, conseguiu liquefazer o hélio
resfriando algumas amostras a uma temperatura de 1 K. Onnes produziu apenas
poucos milímetros cúbicos de hélio naqueles dias, mas foi um marco para novas
explorações em regiões de temperaturas nunca antes estudadas. O hélio líquido
permitiu a possibilidade de alcançar temperaturas próximas ao zero absoluto (0 Kelvin).
Num ponto onde a temperatura era baixíssima, os cientistas perceberam que
havia um nivelamento no comportamento do material onde a resistência praticamente
desaparecia. O grupo de Onnes tentou então atravessar uma corrente elétrica por uma
amostra muito pura de mercúrio em forma de fio, e mediu a variação da sua resistência
elétrica em função da temperatura. A 4,2 K a resistência simplesmente sumiu, e para
surpresa dos cientistas, havia uma corrente fluindo através do fio de mercúrio e nada
impedia seu fluxo, a resistência era zero.
De acordo com Onnes, "O mercúrio havia passado para um novo estado, e
que em virtude das suas extraordinárias propriedades elétricas deveria ser
chamado de estado supercondutor". Os resultados experimentais não deixavam
dúvidas sobre o desaparecimento da resistência elétrica e abriram as portas para uma
nova área de pesquisa batizada pelo próprio Onnes de supercondutividade.
Principais cientistas envolvidos e atividades
desenvolvidas por estes no
desenvolvimento do conceito.
Heike K. Onnes
John Bardeen
Robert Schrieffer
1913
Walther Meissner
1983
1950
1930
Leon N. Cooper
1973
2003
Karl Alex Müller
J. Georg Bednorz
Robert Ochsenfeld
Vitaly Ginzburg
Alexey A. Abrikosov
Brian Josephson
Heike K. Onnes - Propriedades da matéria em baixas temperaturas, incluindo a
descoberta da liquefação do hélio em 1908 e, posteriormente o fenômeno da
resistividade zero no mercúrio resfriado abaixo de -269ºC, denominando esse estado
de supercondutividade em 1911. Recebeu em 2013 o prêmio Nobel da Física.
W. Meissner e R. Ochsenfeld - Descobriram o fenômeno hoje conhecido como
Efeito Meissner. A supercondutividade passa então a ser encarada como um novo
estado da matéria, 1933.
John Bardeen, Leon N. Cooper e Robert Schrieffer - Teoria BCS,
desenvolvimento da teoria microscópica da supercondutividade, explica a origem da
supercondutividade. Em 1972 receberam o Prêmio Nobel da Física.
Karl Alex Müller e J. Georg Bednorz - Descoberta da supercondutividade de alta
temperatura critica num cumprato de lantânio e bário. Receberam o prêmio Nobel da
Física em 1983. Ainda não há aceitação pela comunidade científica de uma única
teoria que explique o fenômeno da supercondutividade em altas temperaturas. Mas a
busca da supercondutividade a temperaturas ainda maiores continua.
Brian Josephson - Predição teórica do tunelamento dos pares de Cooper através
de uma barreira isolante de supercondutores. Recebeu o prêmio Nobel da Física em
1973.
Vitaly Ginzburg - desenvolvimento da teoria fenomenológica da
supercondutividade. Recebeu o prêmio Nobel da Física em 2003.
Alexei Abrikosov - teoria dos supercondutores do tipo II. Obs: Não
comentaremos devida sua complexidade. Recebeu o prêmio Nobel da Física em 2003.
Aplicações
Existem inúmeras aplicações dos supercondutores, esses já são usados em
hospitais, nos aparelhos de ressonância magnética, laboratórios e em aceleradores de
partículas. No entanto, uma delas- a levitação magnética- conseqüência do Efeito
Meissner, terá grande aplicabilidade no futuro, principalmente em relação a meios de
transportes economicamente e sustentavelmente mais viáveis.
A supercondutividade e os aceleradores de partículas.
São equipamentos que fornecem energia a partícula subatômicas, eletricamente carregadas,
para que elas assim atinjam altas velocidades.
A Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (European Organization for Nuclear
Research - CERN) em Genebra, anunciou a reabertura do LHC (Large Hadron Collider), uma enorme
máquina subterrânea onde dois feixes de partículas de altas energias colidem a velocidades próximas
a da luz para tentar reproduzir o que se passou a seguir à criação do Universo, há 13.800 milhões de
anos. Nestes tubos, os prótons são lançados em sentidos opostos para colidirem uns contra outros,
guiados pelos ímãs Supercondutores, que produzem um campo magnético que conduz as partículas.
Atingem altíssimas velocidades e altas energias. Nestas colisões são criadas novas partículas, que são
detectadas por sensores.
Um dos intuitos agora é investigar a
natureza da matéria escura e da
energia escura (constituem 95% do
Universo).
0s 5% restantes são os átomos,
esses formam as pessoas, os
CERN é a Organização Europeia
para Pesquisa Nuclear, que
comporta a maior máquina
aceleradora de partículas que já foi
construída.
Levitação Magnética
Em um supercondutor o campo magnético é nulo. Todavia, ao aproximar um imã, esse induz
correntes no supercondutor, essas correntes induzem um campo magnético que cancela o campo
do imã, ou seja, cria um campo oposto, uma espécie de repulsão. Esses correntes continuam no
material supercondutor, fazendo com que o imã levite. Isto é, o material supercondutor gera
correntes que expelem o campo magnético, causando assim tal fenômeno.
No Brasil, foi desenvolvido o Magleve Cobra, um veículo desenvolvido a partir da levitação
magnética, na UFRJ. É uma alternativa viável para dar fim aos problemas relacionados aos metrôs
e a precariedade da mobilidade nos grandes centros urbanos.
É esta tecnologia de levitação passiva, que vem sendo aperfeiçoada para aplicação no
sistema Magleve Cobra. Ele apresenta um grande número de vantagens:
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Baixo custo global (1/3 do gasto do metrô).
Rapidez de aplicação e implantação.
Leveza.
Baixo custo de obras civis.
Não poluente.
Racionalização energética.
Em termos gerais, pode-se dizer que o sistema Magleve Cobra é baseado em três
campos fundamentais para uma composição ferroviária:
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Inovações tecnológicas- Sistema de levitação magnético supercondutor.
Inovações técnicas- Sistema leve permite redução nos custos de engenharia e
arquitetura.
Inovações em design- Revolucionário sistema de trem modular, multiarticulado,
permite curvas mais fechadas e foi planejado para a realidade brasileira,
usando as medidas corporais dos brasileiros.
Por que Maglev Cobra?
Por ser totalmente articulado,
inserir-se em curvas de 30m de raio
e ser capaz de vencer declividades
de 15%.
Skate flutuante da Nexus.
SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) – Dispositivo
Supercondutor de Interferência Quântica.
É usado para realizar medidas magnéticas de várias espécies de materiais, sendo por
isso frequentemente denominado de magnetômetro SQUID.
O SQUID foi usado para o desenvolvimento da Magnetoencefalografia, aparelho usado
para mapear o campo magnético gerado pela atividade cerebral.
Futuro
O futuro da pesquisa da supercondutividade está em encontrar materiais que
possam se tornar supercondutores à temperatura ambiente.
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.
Os supercondutores são classificados em condutores de baixa temperatura
resfriados por Helio líquido e de alta temperatura como os resfriados por nitrogênio
liquido (77 k)
.
Esse efeito é chamado de Efeito Meissner e tem implicações para a fabricação
de trens de alta velocidade com levitação magnética Isso também tem implicações
quanto à fabricação de pequenos e poderosos magnetos supercondutores para
a geração de imagens por ressonância magnética.
Bibliografia:
http://www.if.ufrgs.br/ensfis_fernanda/arquivos/materiais/supercondutividade/
https://www.if.ufrgs.br/public/tapf/n8_ostermann_ferreira_cavalcanti.pdf
http://supercondutividade.blogspot.com.br/
http://www.clickciencia.ufscar.br/portal/edicao26/materia3_detalhe.php
http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10000522.pdf