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Supercondutividade e suas aplicações - Texto

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A magnitude do efeito meissner caracteriza o supercondutor, é do tipo 1 se for 
total, e do tipo 2 se houver uma pequena penetração das linhas de campo no 
supercondutor. O tipo 2 suporta maiores correntes e funcionam a maiores 
temperaturas, sendo mais usuais. 
Os pares de Cooper 
A “supercorrente”, descoberta por Leon Cooper em 1956, que aparece quan-
do se deslocam em pares pela estrutura cristalina do material é devida ao sur-
gimento dos fônons. 
 
Um fônon é uma excitação mecânica na rede cristalina de um sólido. Deslo-
ca-se como uma onda pelo material em todas as direções, é causada pelos 
pequenos deslocamentos dos átomos da rede. Quanto maior a temperatura 
maior o número de fônons. 
 Supercondutores e suas aplicações 
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Os átomos da rede cristalina de um metal não são eletricamente neutros. Co-
mo perdem elétrons, se tornaram positivamente carregados. São esses elétrons 
perdidos que transportam a corrente elétrica pelo sólido. Um elétron que se 
desloca através do material vai perturbando os átomos da rede, atraindo-os. 
Essa perturbação é o fônon, que sai atrás do elétron, como uma turbulência 
que segue um carro. 
O fônon pode capturar outro elétron que esteja por perto. Formando o par de 
Cooper: dois elétrons ligados através de um fônon da rede. O fônon formado 
de cargas positivas deslocadas permite que os elétrons, que normalmente se 
repelem, viajem em conjunto pelo sólido. 
Em temperatura alta, a agitação térmica é tão forte que um par de Cooper 
não consegue manter-se. Em baixas temperaturas as chances melhoram. 
Teoria BCS 
Em 1957, os físicos John Bardeen, Leon Cooper e Robert Scrieffer elaboraram a 
teoria BCS que lhes rendeu o Nobel em 1972. 
A teoria explica porque os pares de Cooper conseguem se deslocar sem im-
pedimento pela rede cristalina, enquanto os elétrons individuais sofrem resis-
tência. 
Durante o acoplamento dos elétrons e fônons nos pares de cooper, esses elé-
trons tem uma energia menor do que os elétrons individuais. Em um condutor 
comum, quando os elétrons se chocam, ocorre uma troca de energia. A e-
nergia transferida por um elétron a um átomo excita esses átomos, o que pro-
voca uma vibração na estrutura cristalina e aquece o material. Em um super-
condutor, a diferença de energia no par de cooper exige que a troca de e-
nergia entre elétrons e átomos seja maior. Em temperaturas normais, existe 
muita energia para se realizar a sobreposição do “gap” de energia nos pares 
de cooper, mas quando a temperatura é menor do que a necessária para o 
gap, os choques ocorrem sem realizar troca de energia. 
A temperatura na qual o material fica supercondutor, chamada de tempera-
tura crítica ou temperatura de transição, Tc, é uma medida do tamanho do 
"gap" de energia. Em um supercondutor típico, do tipo conhecido até a dé-
cada de 80, a energia do "gap" era bem pequena, da ordem de 0,01 eletrons-
volt. Por isso, as temperaturas críticas desses supercondutores é tão baixa. 
Quanto maior o “gap” maior a temperatura de transição. 
Supercondutores a “altas” temperaturas 
Em abril de 1986 Georg Bednorz e Alex Mueller publicaram suas pesquisas a 
respeito da condutividade elétrica em sistemas Ba-La-Cu-O, uma cerâmica do 
tipo Perovskita, silicatos semelhante a areia. Com a comprovação do efeito 
 Supercondutores e suas aplicações 
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Meissner nesse sistema, e a temperatura de transição em 30K ≈ -243ºC, outras 
cerâmicas foram descobertas nos meses seguintes, entre elas a YBa2Cu3O7 
(Óxido de Ítrio, Bário, e Cobre) de Paul Chu em 1987, com Tc a 90K ≈ -183ºC. 
 
Figura 2: Estrutura Cristalina e Tc do YBaCuO 
Hoje em dia os supercondutores tem Tc acima de 130K ≈ -143ºC, temperatura 
acima da temperatura de liquefação do Nitrogênio (77K = -169ºC). Como o H 
é abundante na natureza e barato de se liquefazer, os supercondutores com-
postos por cerâmicas são mais viáveis que os metais. Esse tipo de supercondu-
tor é conhecido como SCAT e são formados por cerâmicas com estrutura pe-
rovskita modificada. 
 
 
Figura 4: YBCO 
 
 
Figura 3: Placa de YBCO 
 Supercondutores e suas aplicações 
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Materiais Supercondutores: 
Materiais Temperatura Crítica 
Elementos Tc (K) Tc (ºC) 
Tungstênio (W) 0,02 -272,98 
Titânio (Ti) 0,40 -272,6 
Estanho (Sn) 1,18 -271,82 
Mercúrio (Hg α) 4,15 -268,85 
Chumbo (Pb) 7,19 -265,81 
Compostos Ligas 
Nb-Ti 10,2 -262,8 
Nb-Zr 10,8 -262,2 
PbMo6S8 14,0 -259 
V3Ga 16,5 -256,2 
Nb3Sn 18,3 -254,7 
Nb3Al 18,9 -254,1 
Nb3Ge 23,0 -250 
Compostos Cerâmicos 
YBa2Cu3O7 92 -181 
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 -163 
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 125 -148 
HgBa2Ca2Cu2O8 153 -120 
 
 
 
 Supercondutores e suas aplicações 
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Dados Obtidos e discussões 
As principais informações sobre supercondutores são referências as tecnologi-
as a serem desenvolvidas, ou seja, suas aplicações. O trabalho tem como ob-
jetivo apresentar essas aplicações e mostrar suas viabilidades. 
Trens MagLev 
Os trens convencionais, com os quais estamos acostumados, tiveram o início 
de seu desenvolvimento no século XIX onde, ainda no final desse século, al-
cançavam a marca dos 177 km/h. Porém, com o tempo eles não eram mais 
novidade e precisavam ser melhorados para manter a concorrência. Com 
essa idéia, surgiram no século XX os trens bala, que dotados com a mesma 
tecnologia dos anteriores, mas com maior precisão em seus ajustes e qualida-
de de controle, alcançavam até 290 km/h. 
Contudo, foi só neste século que chegamos ao auge da eficiência do trans-
porte terrestre, uma idéia existente desde 1900, que consistia em acabar com 
o atrito entre as rodas e os trilhos, foi finalmente posta em prática através do 
Maglev. 
 
 
Figura 5: Maglev no Japão 
Maglev vem de Magnetic Levitation Transport, que como o nome indica é um 
transporte que levita. Mais especificamente ele é um trem que levita sob os 
trilhos devido às forças magnéticas. 
 
Atualmente existem três tipos de Maglev em funcionamento, que utilizam dife-
rentes modos de sustentar sua levitação: a suspensão eletromagnética (SEM), 
a suspensão eletrodinâmica (SED) e a suspensão por indução magnética. Am-
bos utilizam as forças de repulsão ou atração magnética, permitindo o grande 
efeito deste novo transporte, que deslizando apenas contra a força do ar, al-
cança até 650 km/h (em fase de testes) sem fazer ruído algum. O trabalho é 
focado na suspensão eletrodinâmica, já que a eletromagnética e a indução 
magnética não usam materiais supercondutores. 
 Supercondutores e suas aplicações 
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Suspensão Eletromagnética 
 
Este tipo de suspensão é baseado principalmente nas forças atrativas de ele-
troímãs. 
O comboio possui em sua parte inferior um formato de “gancho” que é atraí-
do pelos trilhos através de bobinas eletromagnéticas. Outras bobinas ficam 
também localizadas na parte lateral, evitando o deslocamento excessivo em 
relação aos trilhos, mantendo-o centralizado. 
 
Figura 6: Mecanismo utilizado na suspensão eletromagnética (Tese de Eduardo Alves da Costa 
[2004]) 
 
Indução Magnética 
Nesse modelo são usados imãs permanentes à temperatura ambiente, como 
imãs comuns, apenas mais potentes. Abaixo dos vagões esta localizada a ca-
deia de Halbach, uma cadeia de seguidos imãs que formam uma configura-
ção específica de forças atrativas e repulsivas. Isso torna possível que não haja 
campo magnético dentro do trem ou em cima de sua plataforma, apenas 
embaixo. 
 Supercondutores e suas aplicações 
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Figura 7: Mecanismo utilizado na indução magnética 
(Tese de Eduardo Alves da Costa [2004]) 
 
Suspensão Eletrodinâmica 
Em baixo dos veículos estão localizadas bobinas, feitas de material supercon-
dutor