Ana Carolina Peruchi, Joana Smania, Leticia

Supercondutividade
Nota: 9,0
Um exemplo sem explicação da
utilização de supercondutores
Grupo: Ana Carolina Peruchi, Joana Smania, Leticia Defaveri, Lívia Back,
Maria Isabel Bruno e Vitória Bonin.
Sala: 3002
Introdução
Neste trabalho abordaremos o fenômeno da Supercondutividade. Seu
conceito, as aplicações feitas e as exemplificações de como ela tem o poder de
transformar materiais em supercondutores.
Esse é um assunto recente e muito interessante para os cientistas físicos,
e com o avanço das pesquisas, pode vir a ser possível que a futura geração
venha fabricar fios que transmitam eletricidade sem perda, baterias que não
descarreguem, conexões entre pastilhas e placas de circuitos integrados que
aumentem sua velocidade e reduzam o calor nos computadores, além de
vários dispositivos até então impensáveis.
Explicação do conceito
O fenômeno da supercondutividade é uma propriedade física em que
certos tipos de substâncias quando em temperaturas muito baixas, muito
próximas do zero absoluto, apresentavam resistência elétrica quase nula, ou
seja, os elétrons livres que fazem a condução da corrente elétrica podiam
transitar livremente na rede cristalina. Esse acontecimento ficou conhecido
como supercondutividade e o material que se encontra nesse estado é
denominado de supercondutor.
Existe uma temperatura na qual a substância passa a ser supercondutora,
a qual é denominada de temperatura de transição e é variável de material para
material. A temperatura varia conforme o material, mas em geral situa-se
abaixo de 20 K (-253°C).Esses materiais podem transmitir grandes quantidades
de corrente elétrica por longos períodos sem perder energia na forma de calor.
Foi comprovado que 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.
Outra propriedade de um supercondutor é que, assim que ocorre a
transição do estado normal para o estado supercondutor, os campos
magnéticos externos não podem penetrá-lo. Esse efeito é chamado de “efeito
Meissner” e tem implicações para a fabricação de trens de alta velocidade com
levitação magnética.
A supercondutividade pode ser entendida como um fenômeno quântico
macroscópico, ou seja, este estado pode ser descrito por uma única função de
onda. Em 1986 foram descobertos também alguns materiais cerâmicos
chamados de cupratos que exibiam temperaturas críticas próximas de 90 K (183 °C). Os supercondutores de altas-temperaturas renovaram o interesse no
estudo dos mesmos.
Contexto histórico
Os principais fatos da década de 10 foram o naufrágio do navio Ttitanic que
ocorreu em 1912 e logo depois ocorreu a Primeira Guerra Mundial, em 1914.
Já o fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911 pelo físico
holandês Heike Kamerlingh Onnes através da liquefação do Helio.
Pesquisando a resistividade elétrica do mercúrio, percebeu que este material
perdia de forma completa e abrupta a sua resistividade. Ele denominou de
“supercondutividade” esse estado de resistividade zero, passando então a ser
encarado como um novo estado da matéria.
Posteriormente,
foram
sucessivamente
identificadas
propriedades
supercondutoras em 25 elementos químicos, entre eles o chumbo e o estanho,
e milhares de ligas metálicas e compostos químicos.
Heike Kamerlingh Onnes
Principais cientistas envolvidos e atividades desenvolvidas por estes no
desenvolvimento do conceito
Foi com o trio de físicos americanos Jonh Bardeen, Leon Cooper e Robert
Schrieffer, que em 1972 surgiu a explicação para o fenômeno da
supercondutividade, fato que deu a eles o prêmio Nobel da Física naquele ano.
O que fez a explicação deles ser tão importante foi o fato de eles mostrarem
que esse fenômeno não está ligado somente à diminuição da agitação térmica
dos átomos e moléculas de um material, quando esse está sob baixas
temperaturas. Dessa forma, surgiu a ideia da possibilidade da existência desse
fenômeno com temperaturas muito elevadas, mas as experiências com
condutores metálicos relacionadas a essa possibilidade não deram resultados.
O suíço Karl Alexander Muller e o alemão Johannes G. Bednorz,
conseguiram a supercondutividade a 35 K, o que corresponde a - 238 °C.
Graças às suas descobertas e à comprovação da supercondutividade que
esses dois físicos cientistas ganharam, em 1986, o prêmio Nobel de Física.
Esse fato foi um grande avanço para toda ciência e permitiu avanços
significativos em vários ramos de pesquisas.
Em 1995, cientistas americanos criaram um novo tipo de material
supercondutor, um filme capaz de conduzir cem vezes mais eletricidade do que
qualquer material do gênero. Com capacidade para operar em fortes campos
magnéticos, o novo material transporta um milhão de ampères por centímetro
quadrado e é suficientemente flexível para ser conduzido através de cabos
elétricos.
Aplicações do Conceito
•
Usinas hidrelétricas reversíveis:
Baseada na maturidade da geração hidrelétrica tradicional, a tecnologia
de armazenamento de energia das usinas hidrelétricas reversíveis (UHER) é
também conhecida como de armazenamento por bombeamento de água ou
acumulação hidráulica. Este sistema de acumulação consiste no bombeamento
de água desde um reservatório inferior para um reservatório superior durante
períodos de pequena carga utilizando energia extra de qualquer outra fonte
geradora do sistema, utilizando esta água armazenada para movimentar as
turbinas hidráulicas na geração de eletricidade nas horas de demanda máxima.
•
Aplicação do efeito efeito Meissner:
Os sistemas supercondutores de levitação magnética e propulsão são
resfriados com nitrogênio liquido, a uma temperatura negativa de -196˚C. A
bobina magnética ao longo dos trilhos, repele os grandes imãs
supercondutores sob o trem, permitindo que levite de 1 a 10cm sobre o trilho
guia. O sistema eletrônico controla a levitação a uma altura constante, com um
funcionamento parecido ao motor elétrico convencional, mas o estator ao longo
da linha.
Um campo magnético levita o trem e o mantém na linha. Para a economia
de energia cada secção da linha é adicionada ao longo do percurso. O Maglev
permite inclinação de 15%, contra 4% dos trens convencionais. Elimina a
necessidade de rodas, freios motores e dispositivos para captar, converter e
transmitir a energia elétrica.
Trem Manglev
Exemplificações sobre a supercondutividade
•
Efeito Meissner e Levitação magnética:
Podemos detalhar mais essa informação, relatando que os físicos W. H.
Meissner e Robert Ochsenfeld mostraram que o campo magnético do
supercondutor não se limita a ser apenas constante, ele é nulo. Assim, se um
material supercondutor, inicialmente a uma temperatura superior a Tc, ou seja,
em um estado em que ele não pode ser considerado supercondutor, é
submetido a um campo magnético e em seguida é resfriado a uma temperatura
inferior a Tc, ele expele todo o campo magnético do seu interior.
Esse efeito, chamado efeito Meissner, explica um segundo tipo de
levitação. Suponhamos que um ímã seja colocado sobre um material
supercondutor acima da temperatura Tc, ou seja, ainda em uma situação em
que não é um supercondutor. Quando a temperatura fica inferior a Tc, o
material torna-se supercondutor e gera correntes que expelem o campo
magnético, isto é, o ímã se levanta, passando a levitar acima do supercondutor.
Na figura está presente um material primeiramente em seu estado normal
submetido a aplicação de um campo magnético externo, onde as linhas de
campo magnético penetram em seu corpo. Na segunda etapa o material está
no estado supercondutor, sendo que o campo magnético não penetra em seu
corpo.
O exemplo de materiais que são supercondutores deriva-se do fenômeno
de supercondutividade. Observado em diversos metais e materiais cerâmicos
com suas respectivas temperaturas:
Material
Zinco
Alumínio
Estanho
Mercúrio
YBa2Cu3O7
TlBaCaCuO
Tipo
Metal
Metal
Metal
Metal
Cerâmica
Cerâmica
Tc(K)
0,88
1,19
3,72
4,15
90
125
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 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.
A demonstração clássica do efeito Meissner. Um disco supercondutivo na
parte inferior, resfriado por nitrogênio líquido, causa a levitação do magneto
acima. O magneto flutuante induz uma corrente e, portanto, um campo
magnético no supercondutor, e os dois campos magnéticos se repelem para
fazer levitar o magneto.
Bibliografia
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http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/supercondutividade-queisso.htm
http://ciencia.hsw.uol.com.br/questao610.htm
http://www.biomania.com.br/bio/?pg=artigo&cod=2678
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http://periodicos.ufsm.br/reget/article/viewFile/16002/pdf
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Supercondutividade: um século de desafios e superação. Revista
Brasileira de Ensino de Física 2012, vol. 34.