funcionamento supercondutores

Prévia do material em texto

Supercondutores são materiais que perdem a resistência à corrente elétrica quando estão 
abaixo de uma certa temperatura. Eles são divididos em dois tipos, de acordo com suas 
propriedades específicas. Os supercondutores do Tipo 1 são formados principalmente pelos 
metais e por algumas ligas e, em geral, são condutores de eletricidade à temperatura ambiente. 
Eles possuem um Tc extremamente baixo, que, segundo a teoria BCS, seria necessário para 
diminuir as vibrações dos átomos do cristal e permitir o fluxo sem dificuldades dos elétrons pelo 
material, produzindo assim a supercondutividade. 
 Os supercondutores desse tipo foram os primeiros a serem descobertos e os cientistas 
verificaram que a transição para o estado supercondutor a baixa temperatura tinha 
características peculiares: ela acontecia abruptamente e era acompanhada pelo efeito 
Meissner. Esse efeito, que talvez seja a característica mais famosa dos supercondutores, é a 
causa da levitação magnética de um ímã, por exemplo, quando é colocado sobre um pedaço de 
supercondutor. A explicação para o fenômeno está na repulsão total dos campos magnéticos 
externos pelos supercondutores do Tipo 1, o que faz com que o campo magnético interno seja 
nulo, desde que o campo externo aplicado não seja muito intenso. 
Se considerarmos um condutor ideal, ou seja, que não apresenta resistência à corrente elétrica, 
o cancelamento do campo é total, caracterizando o chamado "diamagnetismo perfeito". Nos 
supercondutores do Tipo 1, o cancelamento do campo magnético interno também é total, 
porém esse comportamento é distinto do diamagnetismo perfeito. Os supercondutores do Tipo 
1, no estado supercondutor, possuem campo magnético nulo no seu interior, mesmo no caso 
de o campo magnético externo ser diferente de zero antes da transição supercondutora, 
diferente do comportamento de um condutor ideal. 
Já os supercondutores do Tipo 2 são formados por ligas metálicas e outros compostos. Em geral, 
as temperaturas críticas associadas a eles são muito mais altas que as dos supercondutores do 
Tipo 1, como é o caso das cerâmicas baseadas em óxidos de cobre. No entanto, o mecanismo 
atômico que leva à supercondutividade neste tipo de supercondutor, até hoje não está 
completamente desvendado. 
 O primeiro material supercondutor do Tipo 2 descoberto foi uma liga de chumbo e bismuto. A 
transição para o estado supercondutor era gradual, com a presença de um estado intermediário 
e o efeito Meissner não era perfeito: o material permitia a penetração de algum campo 
magnético, de modo contrário aos supercondutores do Tipo 1. No estado intermediário, o 
supercondutor do Tipo 2 apresenta regiões no estado normal, cercada por regiões 
supercondutor. Essas regiões mistas, chamadas de vórtices, permitem a penetração de campo 
magnético no material, através dos núcleos normais. Conforme a temperatura aumenta, dentro 
do estado intermediário, os núcleos vão superando as regiões supercondutoras. Isso acontece 
até a perda completa do estado supercondutor, quando os núcleos normais se sobrepõem. 
Todos os supercondutores de alta temperatura pertencem ao Tipo 2, incluindo-se o recordista 
atual, que pertence à classe das cerâmicas baseadas em óxidos de cobre (cupretos). 
 
Vantagens 
 
1) Transformando a rede elétrica 
 
A tecnologia supercondutora fornece perda de menos fios e cabos e melhora a confiança e 
eficiência da rede elétrica. Um sistema de energia supercondutor ocupa menos imóveis e é 
enterrado no chão, bem diferente das linhas das redes de hoje em dia. 
 
2) Melhorando a telecomunicação de banda larga 
 
 A tecnologia de telecomunicação em banda larga, que opera melhor em frequências gigahertz, 
é muito útil para melhorar a eficácia e a confiança dos celulares. Essas frequências são muito 
difíceis de serem alcançadas pelo recebedor baseado em supercondutor Hypres, usando uma 
tecnologia chamada de quantum de fluxo único rápida (RSFQ), um recebedor de circuito 
integrado. Ele opera com o auxílio de um resfriador criogênico de 4 kelvin. Essa tecnologia está 
aparecendo em muitas torres transmissoras de sinal de celular. 
 
3) Auxílio em diagnósticos médicos 
 
Uma das primeiras aplicações em grande escala da supercondutividade é em diagnósticos 
médicos. A imagem de ressonância magnética, ou MRI, usa fortes imãs supercondutores para 
produzir campos magnéticos grandes e uniformes dentro do corpo do paciente. Scanners MRI, 
que contém um sistema de refrigeração de hélio líquido, recebem como esses campos 
magnéticos são refletidos pelos órgãos no corpo. 
 
Desvantagens 
 
Materiais supercondutores apenas super conduzem quando mantidos abaixo de uma 
temperatura específica chamada de temperatura de transição. Para os supercondutores 
práticos conhecidos hoje em dia, a temperatura é muito abaixo dos 77 Kelvin, a temperatura do 
nitrogênio líquido. Mantê-los abaixo dessa temperatura envolve muita tecnologia criogênica, 
que é muito cara. Portanto, os supercondutores ainda não aparecem na maioria dos eletrônicos 
de uso diário. Os cientistas estão trabalhando em desenvolver supercondutores que possam 
operar à temperatura ambiente. 
 
Equacionamento 
 
Embora boa parte deste trabalho siga a formato da teoria BCS, substancialmente predizendo 
vários processos como a relaxação nuclear e a atenuação ultrassônica em que o gap de energia 
e o espectro de excitação têm um papel essencial. A teoria de Ginzburg-Landau se concentra 
inteiramente no comportamento supercondutivo dos elétrons ao invés das excitações, e foi 
proposta em 1950, 7 anos antes da teoria BCS. Ginzburg e Landau introduziram uma pseudo-
função de onda ψ complexa como um parâmetro dentro da teoria geral de Landau das 
transições de fase de segunda ordem. Esse ψ descreve os elétrons supercondutores, e a 
densidade local de elétrons supercondutores (definida pelas equações de London): 
 
 
 
Então, usando um princípio de variação e trabalhando para assumir uma expansão em séries da 
energia livre em função de ψ e de ψ com a expansão dos coeficientes α e β, eles derivaram a 
seguinte equação diferencial para ψ: 
 
Com esse formalismo os cientistas foram capazes de tratar dois problemas, com ajuda da [teoria 
de London]: 
Efeitos não lineares dos campos fortes o suficiente para mudar ns ou |ψ|²A variação espacial de 
ns. A grande contribuição desta teoria foi tratar do estado intermediário de alguns 
supercondutores, onde o estado normal e o supercondutor coexistem na presença de um campo 
magnético H~Hc.