Supercondutores, Semicondutores e Materiais Magnéticos

Prévia do material em texto

ADALBERTO DE CARVALHO CAMERA 
EUDES APARECIDO ROLA 
MARCELO JOSÉ PARIS 
MOACIR JUNIOR OMIZZOLLO 
RAFAEL JOSÉ GINUINO DA SILVA 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUPERCONDUTORES, SEMICONDUTORES E MATERIAIS MAGNÉTICOS 
Características de cada material. 
 
 
 
 
 
Projeto de Pesquisa apresentado para a obtenção de nota 
parcial na Disciplina de Materiais Elétricos do Curso de 
Engenharia Elétrica – UNEMAT, Campus Universitário 
de Sinop. 
 
 
 
Docente: André Luiz Machado 
 
 
 
 
 
SINOP 
MAIO/2017 
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SUPERCONDUTORES 
 
Antes de falarmos sobre os supercondutores precisamos saber o que é corrente elétrica 
e qual a relação com a resistência elétrica para então saber o que é um supercondutor, suas 
principais características e aplicações. 
Corrente elétrica é o movimento ordenado dos elétrons no corpo condutor quando 
submetidos à um campo elétrico produzido por uma diferença de potencial elétrico, tal 
movimento é o que possibilita que uma lâmpada se acenda quando ligada a uma bateria, por 
exemplo. 
A resistência elétrica é a propriedade física de um corpo de resistir a passagem de 
corrente elétrica, tal resistência é definida pelo formato do corpo e principalmente pela 
resistividade do material do qual o corpo é composto, a resistividade é o oposto da 
condutividade. A resistividade é a dificuldade que um material tem de conduzir corrente 
elétrica, tal dificuldade surge principalmente pelas ondas de fônons criadas pelo movimento 
dos elétrons transitando pela rede cristalina de átomos que compõem o material, tais ondas são 
exatamente as mesmas que transportam calor no fenômeno da condução térmica, portanto a 
resistência elétrica acaba por transformar a energia cinética desses movimentos atômicos em 
energia térmica, causando aquecimento do condutor, esse aquecimento causado pelo transporte 
de corrente elétrica é conhecido fisicamente por Efeito Joule. Como já é comum, a maior parte 
das propriedades físicas varia com a temperatura, com a resistividade não é diferente, e na 
maioria dos materiais essa variação se dá de forma crescente e linear, ou seja, quanto maior a 
temperatura, maior tende a ser a resistividade causando assim um efeito cascata. 
A resistência elétrica ainda define o quanto de corrente elétrica um corpo pode conduzir 
quando submetido a uma d.d.p., através da Lei de Ohm, onde 𝐼 = ௏
ோ
, ou seja, quanto maior a 
resistência de um condutor, menor será a corrente elétrica que o mesmo poderá conduzir para 
a mesma d.d.p. 
Sabendo que a resistividade, na maior parte dos materiais, varia linearmente com a 
variação da temperatura, no início do século XX pesquisadores e cientistas supuseram que, se 
a temperatura do material ficasse próxima do zero absoluto (0 K ou -273° C) então a 
resistividade também diminuiria, ao ponto de ser praticamente nula, dando início assim ao 
estudo dos supercondutores. 
Supercondutores são materiais que possuem como característica elétrica a resistividade 
nula, ou seja, têm a capacidade de conduzir corrente elétrica sem impor resistência à mesma, 
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sendo assim, novamente através da Lei de Ohm, onde 𝐼 = ௏
ோ
, se a resistência 𝑅 se aproxima 
infinitamente de zero, então pela definição matemática de limites, a corrente 𝐼 tende para o 
infinito, portanto, em teoria seria possível transferir enormes correntes elétricas sobre um fio 
supercondutor sem que haja resistência elétrica. 
Novamente, se a resistência elétrica se dá principalmente pelas ondas de vibrações da 
rede cristalina com a passagem dos elétrons, nos supercondutores essas ondas praticamente não 
existem, para que isso ocorra então, a rede cristalina precisa estar suficientemente rígida para 
que não seja distorcida, só se consegue tal rigidez ao resfriar o material abaixo da sua 
temperatura critica T.C. 
O primeiro a estudar o fenômeno da supercondutividade foi Heike Kamerlingh Onnes1 
quando descobriu que quando se resfria um corpo próximo ao zero absoluto a resistividade do 
material desaparece abruptamente, a temperatura que isso acontece ficou conhecida como 
Temperatura Crítica T.C. O primeiro material estudado por K. Onnes foi o Mercúrio, ao qual 
definiu a T.C. do mesmo como sendo 4,2K, porém não foi capaz de explicar satisfatoriamente 
o fenômeno da supercondutividade na época. 
K. Onnes estudou a T.C. de diversos tipos de materiais e ligas, o material que obteve 
maior T.C. na época foi Nióbio, com T.C próximo a 9,3K. Através de estudos K. Onnes também 
descobriu que o campo magnético ao qual um supercondutor é exposto influencia diretamente 
na sua propriedade de condutividade, de forma que, quanto maior o campo magnético, mais 
rápido desaparecia o efeito de supercondutividade. 
Em 1957 os físicos John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer apresentaram um 
modelo teórico que descrevia de forma satisfatória as observações experimentais nos 
supercondutores, essa teoria ficou conhecida como Teoria BCS devido as iniciais dos nomes de 
seus criadores. Tal teoria está ligada diretamente a teoria dos Pares de Cooper, onde afirma-se 
que, quando um elétron transita por uma rede cristalina, a agitação causada cria uma onda 
mecânica, chamada de fônon, tal onda acaba por concentrar grande quantidade de carga positiva 
onde podemos dizer que seria a “poeira” da passagem do elétron, essa “poeira” por estar 
carregada positivamente acaba por atrair outro elétron para o local, e assim os elétrons 
passariam a se mover sequencialmente em pares ordenados. Em altas temperaturas 
 
1 Heike Kamerlingh Onnes (Groninga, 21 de setembro de 1853 — Leiden, 21 de fevereiro de 1926) foi um físico 
holandês. Foi pioneiro nas técnicas de refrigeração e usou-as para explorar a forma como os materiais se 
comportam quando resfriados a quase zero absoluto. Foi o primeiro a liquefazer o hélio. Sua produção de extremas 
temperaturas criogênicas levou à sua descoberta da supercondutividade em 1911: para certos materiais, resistência 
elétrica de repente desaparece a temperaturas muito baixas. Ganhador do prêmio Nobel de Física em 1913 (Fonte: 
Wikipédia) 
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(temperaturas muito acima do zero absoluto), a agitação mecânica causada pela movimentação 
do primeiro elétron acaba vibrando muito a rede cristalina, que transfere muita energia térmica, 
e essa por sua vez acaba por atrapalhar a movimentação do segundo elétron, aniquilando assim 
o par de Cooper, quando o condutor se encontra abaixo da T.C. a rede cristalina vibra com 
menos energia que o movimento dos elétrons, o que a impede de destruir o par de Cooper 
existente, permitindo assim que fluam tranquilamente pelo material, surgindo assim a 
propriedade da supercondutividade. Teoricamente, qualquer material pode ser um 
supercondutor, basta que seja resfriado até abaixo de sua T.C. 
Muitos anos se passaram, diversos cientistas estudando e realizando experimentos até 
que em 1987 Paul Chu e colaboradores apresentaram o Óxido de Ítrio, Bário e Cobre, com T.C. 
próximo de 93K, o que revolucionou o estudo e aplicação da supercondutividade, pois essa 
temperatura está acima da temperatura do nitrogênio líquido, ou seja, já seria possível a 
aplicação de supercondutores em características reais, pois nitrogênio líquido é relativamente 
fácil de ser obtido. 
Para os supercondutores existe uma vasta gama de aplicações, que vão desde a condução 
elétrica em circuitos onde deseja-se evitar ao máximo a perca com aquecimento, também para 
a geração de campos magnéticos intensos, uma vez que para tal é necessário que haja uma 
corrente elétrica muito intensa fluindo pela bobina que está o gerando, até a levitaçãomagnética, uma vez que os supercondutores possuem a característica de serem capazes de 
aprisionar linhas de fluxo magnético, o que os possibilita não somente levitar, mas também 
repelir ou atrair corpos magnéticos positivos ou negativos. 
Dentre todas as aplicações para os supercondutores, a mais promissora sem dúvida é em 
reatores de fusão nuclear, do tipo Tokamak, pois em tal reator é necessário que tenha bobinas 
que criem campos magnéticos muito intensos para manter o plasma, que está a milhões de graus 
Celsius, levitando no interior do reator, sem que toque nas bordas, tais bobinas ainda precisam 
ser suficientemente pequenas, devido a limitações físicas na estrutura do reator. 
Outra aplicação promissora para os supercondutores é na construção de veículos com 
levitação magnética, mais precisamente trens. A levitação seria usada para reduzir o atrito do 
veículo com os trilhos a praticamente zero, fazendo assim com que a eficiência no transporte 
se tornasse muito mais alta, isso significa maiores velocidades em viagens e ao mesmo tempo 
diminuição no consumo de combustível e no desgaste das peças. 
 
 
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SEMICONDUTORES 
 
 A história de sua descoberta se inicia basicamente no século XIX com Michael Faraday, 
este teria percebido durante um experimento com o Sulfato de Prata e outros materiais que a 
resistência do Sulfato de Prata aumentava conforme a temperatura iria diminuindo, diferente 
dos outros materiais em que se estava sendo estudado, onde a resistência aumentava conforme 
a temperatura aumentava. Por alguns anos depois desta descoberta, algumas outras relacionadas 
aos semicondutores foram sendo encontradas, assim como o efeito semicondutor em sulfetos 
metálico, por Karl Ferdinand Braun em 1874, Braun teria descoberto sobre isso utilizando o 
sulfeto de chumbo e o sulfeto de ferro. Voltando um pouco no tempo, em 1839, Alexander 
Edmund Bacquerel descobriu o efeito foto voltaico na junção de um semicondutor e um 
eletrólito, porém a fotocondutividade só foi descoberta em sólidos em 1873 por W. Smith, 
enquanto trabalhava com cabos submarinos e viu que necessitava de resistores confiáveis com 
alta resistência. Com todas estas observações, David E. Hughes iniciou pesquisas mais 
aprofundadas no efeito semicondutor, e por causa de seus experimentos descobriu a 
possibilidade de emitir ondas eletromagnéticas a partir de semicondutores, assim inventando o 
detector eletromagnético por efeito semicondutivo, conhecido como Diodo, com essa invenção 
muitos outros dispositivos foram sendo criados e aplicados. 
Semicondutores são materiais sólidos que estão neutros em relação aos condutores e 
isolantes, essa situação pode mudar com a adição de impurezas no material este processo é 
chamado de dopagem. Quando esses semicondutores são postos em uma temperatura de zero 
Kelvin (0 K), seus elétrons preenchem a última banda de valência. 
A dopagem é feita de maneira a se encaixar com o meio em que o material será aplicado, 
deverão ser substituídos na estrutura do material átomos por impurezas de modo a criar lacunas 
ou deixar elétrons livres em sua última camada de valência, podemos subdividir estas impurezas 
como impurezas doadoras (elementos químicos com cinco elétrons na última camada) e 
impurezas aceitadoras (elementos químicos com apenas três elétrons na última camada), 
sabendo disso podemos diferenciar os semicondutores intrínsecos dos extrínsecos: 
Semicondutores intrínsecos: são materiais dos quais são encontrados em sua forma 
natural mais pura, na configuração eletrônica dos cristais semicondutores intrínsecos haverá 
quatro elétrons de valência, estes por sua vez deverão compartilhar seus elétrons por ligação 
covalente com os outros átomos vizinhos, de forma a sempre ficarem equilibrados, sem nenhum 
elétrons livre ou lacunas existentes, ou seja a quantidade de portadores de cargas negativas 
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devem ser iguais à quantidade de portadores de cargas negativas, sendo assim não deverá haver 
nenhum tipo de impureza aplicada sobre o semicondutor. 
Em alguns semicondutores intrínsecos, como o silício, quando a temperatura zero 
absoluto é aplicada, alguns elétrons ficarão excitados dentro da banda de valência, atravessando 
a barreira de energia e fazendo com que produza corrente, porém esta corrente é quase nula, 
fazendo com que optem pelos semicondutores extrínsecos. 
Semicondutores extrínsecos: Como já dito acima, semicondutores extrínsecos são 
materiais semicondutores intrínsecos dopados com impurezas específicas criando 
características elétricas especiais, isto quer dizer que na formação dos cristais semicondutores 
extrínsecos haverá mais ou menos elétrons em sua camada de valência, com a dopagem 
podemos obter dois tipos de semicondutores, os semicondutores tipo P e os tipo N: 
Semicondutores tipo N: É um semicondutor intrínseco que recebeu átomos 
pentavalentes, tornando-o um semicondutor extrínseco de tipo N, pois como já sabemos 
semicondutores intrínsecos possuem quatro elétrons em sua valência, após a substituição de um 
dos átomos tetravalentes por um átomo penta valente, deixamos de fora um elétron livre, com 
isso tomamos que os elétrons livres são os portadores majoritários e as lacunas, minoritárias, 
tomaremos o caso do silício como explicação para a dopagem: para dopá-lo de modo que o 
transforme em tipo N substitui-se um dos átomos de silício em seu cristal por um átomo de 
fosforo ou arsênio, ambos pentavalentes, deixando um elétron livre. Com o aumento de elétrons 
livres na estrutura do material possibilita a passagem de corrente elétrica. 
Semicondutor tipo P: É um semicondutor que possui lacunas devido a sua dopagem, 
adiciona-se um átomo de boro, alumínio ou gálio no silício, que devido à sua última camada de 
valência trivalente cria lacunas. Esse cristal dopado com átomos trivalentes é um semicondutor 
tipo P. Neste caso, as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons livres são os 
portadores minoritários. O aumento de lacunas também aumenta a condutividade do cristal, 
porém ao contrário do tipo P, a condutividade aumenta na camada de valência. 
Hoje em dia os semicondutores são muito utilizados principalmente na eletrônica, 
devido a sua fácil mudança de estado, podemos encontra-los em televisões, celulares e até 
mesmo em naves espaciais, ao falarmos de chips de celulares, microprocessadores e cartões de 
créditos, são exemplos de aplicações dos semicondutores. 
O que mais influenciou no desenvolvimento dos materiais semicondutores foi a 
indústria de computadores modernos, foram os semicondutores que influenciaram no fácil 
entendimento de assuntos complexos, na aproximação de pessoas que estão distantes de nós. O 
estudo dos semicondutores possibilitou a criação de instrumentos computacionais, 
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equipamentos que tornam nossa vida muito mais fácil do que era antes, claro que ainda há muito 
caminho a ser percorrido, mesmo assim seu desenvolvimento é tão grande e tão promissor que 
já é trabalhado com semicondutores em escalas nanométricas. 
 
MATERIAIS MAGNÉTICOS 
 
Os primeiros fenômenos magnéticos observados foram em relação aos “imãs naturais” 
(magnetos), que eram fragmentos de ferro encontrados perto da antiga cidade de Magnésia, a 
oeste da atual Turquia, de onde se originou seu nome “magneto”. A palavra surgiu na 
Antiguidade, associada à propriedade que fragmentos de ferro tem de serem atraídos pela 
magnetita, um mineral encontrado na natureza, de composição¸ química (Fe2O4). Os 
fenômenos magnéticos foram os primeiros em despertar a curiosidade do homem sobre o 
interior da matéria e ganharam uma dimensão muito maior a partir do século XIX, com a 
descoberta de sua relação¸ coma eletricidade. Em 1820 Oersted descobriu que uma corrente 
elétrica passando por um fio também produzia efeito magnético, mudando a orientação da 
agulha de uma bússola. 
Todas as substâncias sejam elas sólidas, liquidas ou gasosas possuem alguma 
característica magnética em qualquer temperatura. Sendo assim o magnetismo é propriedade 
básica de todo material. 
 
Propriedades dos materiais magnéticos 
Domínios de um material são pequenas regiões que possuem uma orientação do campo 
magnético natural dos elétrons, entretanto essas regiões estão em variadas direções e os campos 
acabam se anulando. 
 
Figura 1. Domínios magnéticos de uma agulha. (Fonte: Alunos Online) 
O magnetismo é trabalhado justamente nesses domínios, a maioria dos materiais quando 
submetemos a um campo magnético ou uma corrente elétrica fazem com que domínios tendem 
a se orientar na direção do campo submetido. O resultado é que ao invés de se anularem os 
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domínios agora irão se somar pois estarão no mesmo sentido, gerando assim um campo 
magnético do próprio material. 
 
Figura 2. Domínios magnéticos ordenados. (Fonte: Alunos Online) 
Os materiais magnéticos são classificados em duros e moles, estes últimos também 
referidos como macios ou doces. Os magnetos duros, também chamados ímãs, são aqueles 
"permanentes" - o que significa que exigem um forte campo externo para levar sua 
magnetização a zero. Já os magnetos moles possuem um magnetismo facilmente reversível isso 
e definido pela histerese do material, ou seja, é a tendência de um material ou sistema de 
conservar suas propriedades na ausência de um estímulo que as gerou. 
Susceptibilidade magnética (X) é a capacidade que um material tem de magnetizar-se 
sob a ação de uma estimulação magnética de um campo magnetizante ao qual este é submetido. 
A permeabilidade magnética (µ) está intrinsicamente ligada a capacidade do material de 
interagir com o campo magnético externo a ele influenciado diretamente o fluxo no campo 
magnético no interior dele. Os materiais magnéticos podem ser agrupados em três categorias 
principais: 
Materiais diamagnéticos ex.: Zn, Cd, Cu, Ag, Sn. Pequenos valores negativos de 
susceptibilidade magnética (X), (ou seja, o campo de magnetização opõe-se ao campo aplicado 
e desaparece quando de retira o campo aplicado), baseado na Lei de Lenz as pequenas correntes 
criadas no interior de cada material vão contra o campo magnético externo ao material. 
Materiais Paramagnéticos (ex. Al, Ca, Pt, Ti) – pequenos valores positivos de X (o 
campo de magnetização desaparece quando de retira o campo aplicado), pois quando o material 
é colocado em ambiente com presença de campo magnético os momentos magnéticos do 
material se alinham com os do campo externo, aumentando assim o fluxo do campo dentro do 
material em questão, se for analisado o quando a permissividade do material (µ) pode superar 
a do vácuo (µ0) é na ordem de 1 a 100. 
Materiais Ferromagnéticos (o Fe, o Ni e o Co) - X é grande (>>1). O campo de 
magnetização mantém-se quando se remove o campo aplicado. Logo são materiais com auto 
paramagnetismo, e se colocados na presença de um campo magnético seus momentos são 
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alinhados e permanecem fixos mesmo com a remoção do campo, quando comparados com 
materiais paramagnéticos sua permeabilidade magnética (µ) pode superar µ0 na ordem de 103. 
A importância dos materiais magnéticos é muito elevada no contexto de tecnologia 
moderna em geral, pois é empregada na fabricação de diversos aparelhos desde os muito 
simples e corriqueiros aos que possui um modo de operação mais complexo, como por exemplo: 
como os pequenos ímãs permanentes usados para fechaduras de portas de moveis e utensílios 
 
REFERENCIAL TEÓRICO 
 
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<http://www.seara.ufc.br/especiais/fisica/supercondutividade/supercondutividade1.htm>. 
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A SUPERCONDUTIVIDADE: Os Pares De Cooper – SEARA DA CIÊNCIA. Disponível 
em: <http://www.seara.ufc.br/especiais/fisica/supercondutividade/supercondutividade3.htm>. 
Acesso em 25 de maio de 2017. 
 
A SUPERCONDUTIVIDADE: Supercondutores a altas temperaturas – SEARA DA 
CIÊNCIA. Disponível em: 
<http://www.seara.ufc.br/especiais/fisica/supercondutividade/supercondutividade5.htm>. 
Acesso em 25 de maio de 2017. 
 
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Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20032/Fabiano/supercondutores.htm>. 
Acesso em 25 de maio de 2017. 
 
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<http://www.educadores.diaadia.pr.gov.br/arquivos/File/2010/veiculos_de_comunicacao/ENF
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<https://engenhariacivilfsp.files.wordpress.com/2014/02/propriedades-magnc3a9ticas.pdf>. 
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