Metais e Ligas Supercondutoras monografia

Prévia do material em texto

Página | 1 
 
Metais e Ligas Supercondutoras: 
processamento e aplicações. 
 
 
 
Aluno: Lucas Alexsander de 
Faria Fernandes 
 
 
 
Página | 2 
 
Sumário 
A historia dos supercondutores ____________________________________________________________________ 3 
Efeito Meissner _______________________________________________________________________________________ 4 
Irmãos F. e H. London ________________________________________________________________________________ 4 
Teoria BCS ____________________________________________________________________________________________ 5 
Afinal, o que são supercondutores? ________________________________________________________________ 6 
TIPO 1 ________________________________________________________________________________________________ 6 
TIPO 2 ________________________________________________________________________________________________ 8 
Aplicação ____________________________________________________________________________________________ 9 
FUTURO _____________________________________________________________________________________________ 11 
Conclusão ___________________________________________________________________________________________ 12 
Bibliografia ________________________________________________________________________________________ 13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Página | 3 
 
A historia dos supercondutores 
A supercondutividade é uma propriedade física de característica intrínseca de certos materiais 
que, quando resfriados a temperaturas extremamente baixas, tendem a conduzir corrente 
elétrica sem resistência nem perdas. No entanto, um composto 
de hidrogênio, magnésio e lítio pode conduzir eletricidade sem resistência a temperaturas de até 
200 graus Celsius, se for comprimido a uma pressão extremamente alta, quase 2,5 milhões de 
vezes a pressão da atmosfera da Terra. 
 
Esta propriedade foi descoberta em Abril de 1911, pelo físico holandês Heike Kamerlingh 
Onnes em seu laboratório em Leiden. Guiado por seu brilhante trabalho na fabricação 
do hélio líquido, o que possibilitou o avanço necessário para alcançar temperaturas muito baixas, 
da ordem de 1 K. A supercondutividade foi pela primeira vez notada enquanto Onnes observava o 
comportamento do mercúrio quando resfriado a 4 K (-452,47 °F ou -269,15 °C). 
 
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. 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. 
 
 
Heike Kamerlingh Onnes 
 
 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Temperatura
https://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_el%C3%A9trica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Corrente_el%C3%A9trica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia_el%C3%A9trica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Hidrog%C3%AAnio
https://pt.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9sio
https://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADtio
https://pt.wikipedia.org/wiki/1911
https://pt.wikipedia.org/wiki/Holanda
https://pt.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes
https://pt.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes
https://pt.wikipedia.org/wiki/Laborat%C3%B3rio
https://pt.wikipedia.org/wiki/Leiden
https://pt.wikipedia.org/wiki/H%C3%A9lio
https://pt.wikipedia.org/wiki/Merc%C3%BArio_(elemento_qu%C3%ADmico)
https://pt.wikipedia.org/wiki/Merc%C3%BArio_(elemento_qu%C3%ADmico)
Página | 4 
 
Efeito Meissner 
 
O próximo grande marco na compreensão de como a matéria se comporta em 
temperaturas extremas de frio ocorreu em 1933. Os pesquisadores alemães Walther 
Meissner e Robert Ochsenfeld descobriram que um material supercondutor repelirá um 
campo magnético (gráfico abaixo). Um ímã movendo-se por um condutor induz correntes 
no condutor. Este é o princípio de funcionamento do gerador elétrico. Mas, em um 
supercondutor, as correntes induzidas refletem exatamente o campo que, de outra forma, 
teria penetrado no material supercondutor - causando a repulsão do ímã. Esse fenômeno 
é conhecido como forte diamagnetismo e hoje costuma ser chamado de "efeito Meissner". 
O efeito Meissner é tão forte que um ímã pode realmente ser levitado sobre um material 
supercondutor. 
 
 
Diagrama do efeito de Meissner. As linhas do campo magnético, representadas como flechas, são excluídas de 
um supercondutor quando este se encontra abaixo da temperatura critica. 
 
 
 
Irmãos F. e H. London 
Em 1935, os irmãos F e H. London propuseram a primeira teoria fenomenológica no 
sentido de descrever o fenomeno da supercondutividade. Eles derivaram as equações 
que regem o coampo elétrico e magnético no interior do supercondutor, propondo na sua 
construção parametros denomenoloficos. Essa teoria possibilitou prever o comportamento 
da indução magnetica e das correntes eletricas dentro do supercondutor mesmo na 
ausencia de explicação microscopica do mecanismo da supercondutividade. Um resultado 
de interesse da teoria é que um campo magnetico aplicado a um material no estado 
supercondutor decai esponencialmente no interior do material. Esse decaimento di canoi 
nagnético é caracterizado por um comprimento característico conhecido como 
profundidade ou comprimento de penetração de London. 
 
Página | 5 
 
Teoria BCS 
A primeira compreensão teórica amplamente aceita da supercondutividade foi 
desenvolvida em 1957 pelos físicos americanos John Bardeen, Leon Cooper e John 
Schrieffer (acima). Suas teorias de supercondutividade tornaram-se conhecidas como a 
teoria BCS - derivada da primeira letra do sobrenome de cada homem - e lhes valeu um 
prêmio Nobel em 1972. A teoria BCS matematicamente complexa explicava a 
supercondutividade em temperaturas próximas do zero absoluto para elementos e ligas 
simples . No entanto, em temperaturas mais altas e com diferentes sistemas 
supercondutores, a teoria BCS tornou-se subsequentemente inadequada para explicar 
totalmente como a supercondutividade está ocorrendo separando os supercondutores em 
2 grupos. 
A razão entre o comprimento de penetração de London e comprimento de coerencia do 
material supercondutor introduz um novo paramentro, denominado kappa ( kappa = 
penetração de london / coerencia). O valor de kappa determina qual grupo o 
semicondutor está. Se k < 1/sqtr2 é do tipo 1, se nao, do tipo 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Página | 6 
 
Afinal, o que são supercondutores? 
 
TIPO 1 
 
A categoria de supercondutores Tipo 1 é composta principalmente de metais que 
mostram alguma condutividade à temperatura ambiente. Eles exigem um frio incrível para 
diminuir as vibrações moleculares o suficiente para facilitar o fluxo de elétrons 
desimpedido de acordo com o que é conhecido como teoria BCS. A teoria BCS sugere 
que os elétrons se juntam em "pares de Cooper" para ajudar uns aos outros a superar os 
obstáculos moleculares - como os carros de corrida em uma pista se desenhando para ir 
mais rápido. Os cientistas chamam esse processo de acoplamento mediado por fônon por 
causa dos pacotes de som gerados pela flexão da estrutura cristalina. 
 
 
 
Os supercondutores do tipo 1 - caracterizados como supercondutores ‘’suaves" - foram 
descobertos primeiro e exigem que as temperaturas mais baixas se tornem 
supercondutores. Eles exibem uma transição muito acentuada para um estado 
supercondutor (veja o gráfico acima) e um diamagnetismo "perfeito" - a capacidade de 
repelir um campo magnético completamente.Abaixo está uma lista de supercondutores 
Tipo 1 conhecidos junto com a temperatura de transição crítica (conhecida como Tc) 
abaixo da qual cada supercondutor. A 3ª coluna fornece a estrutura de rede do sólido que 
produziu o Tc observado. Surpreendentemente, cobre, prata e ouro, três dos melhores 
condutores metálicos, não se classificam entre os elementos supercondutores 
Página | 7 
 
 
 
 
 
Tabela com matérias supercondutores e seus respectivos Tc’s 
 
 
 
Página | 8 
 
TIPO 2 
 
A categoria de supercondutores Tipo 2 é composta por compostos e ligas metálicas. As 
"perovskitas" supercondutoras recém-descobertas (cerâmicas de óxido metálico que 
normalmente têm uma proporção de 2 átomos de metal para cada 3 átomos de oxigênio) 
pertencem a este grupo Tipo 2. Eles alcançam Tc's mais altos do que os supercondutores 
do Tipo 1 por um mecanismo que ainda não é completamente compreendido. A sabedoria 
convencional afirma que se relaciona com a estratificação plana dentro da estrutura 
cristalina. Porém, outras pesquisas recentes sugerem que os buracos de oxigênio 
hipocarregado nos reservatórios de carga são os responsáveis. Os óxidos de cobre 
supercondutores alcançaram Tc's surpreendentemente altos quando você considera que 
em 1985 os Tc's conhecidos haviam atingido apenas 23 Kelvin. Até o momento, o Tc mais 
alto atingido à pressão ambiente para um material que se formará estequiometricamente 
(por mistura direta) foi 147 Kelvin. E o Tc mais alto global é 216 Celsius para um material 
que não se forma estequiometricamente (veja a lista abaixo). É quase certo que outros 
compostos mais sinérgicos ainda aguardam descoberta entre os supercondutores de alta 
temperatura. 
Sn12SbTe11Ba2V2Mg24O50+ +216 C 
 (As a (Z+12)212 structure) 
Tl7Sn2Ba2MnCu10O20+ +77 C 
 (As an H212 structure) 
 
 O primeiro composto supercondutor Tipo 2, uma liga de chumbo e bismuto, foi 
fabricado em 1930 por W. de Haas e J. Voogd. Mas, não foi reconhecido como tal até 
mais tarde, depois que o efeito Meissner foi descoberto. Esta nova categoria de 
supercondutores foi identificada por L.V. Shubnikov no Instituto de Ciência e Tecnologia 
de Kharkov, na Ucrânia, em 1936 (1), quando encontrou dois campos magnéticos críticos 
distintos (conhecidos como Hc1 e Hc2) em PbTl2. O primeiro dos supercondutores de 
óxido foi criado em 1973 pelo pesquisador da DuPont Art Sleight quando Ba (Pb, Bi) O3 
foi encontrado para ter um Tc de 13K. Os oxocupratos supercondutores surgiram em 
1986. 
 
 Supercondutores do tipo 2 - também conhecidos como supercondutores "duros" - 
diferem do tipo 1 porque sua transição de um estado normal para um supercondutor é 
gradual em uma região de comportamento de "estado misto". Uma vez que um Tipo 2 
permite alguma penetração de um campo magnético externo em sua superfície, isso cria 
alguns fenômenos bastante novos, como "faixas" supercondutoras e "vórtices de rede de 
fluxo". Embora existam muitos para listar na totalidade, alguns dos supercondutores Tipo 
2 mais interessantes estão listados abaixo por semelhança e com Tc's descendentes. 
 
http://www.superconductors.org/216C209C.htm
http://www.superconductors.org/77C.htm
Página | 9 
 
Aplicação 
 
A levitação magnética é uma aplicação em que os supercondutores funcionam 
extremamente bem. Os veículos de transporte, como trens, podem "flutuar" em fortes 
ímãs supercondutores, eliminando virtualmente o atrito entre o trem e seus trilhos. Os 
eletroímãs convencionais não apenas desperdiçariam grande parte da energia elétrica na 
forma de calor, mas também teriam de ser fisicamente muito maiores do que os ímãs 
supercondutores. Um marco para o uso comercial da tecnologia MAGLEV ocorreu em 
1990 quando ela ganhou o status de um projeto financiado nacionalmente no Japão. O 
Ministro dos Transportes autorizou a construção da Linha de Teste Yamanashi Maglev, 
que foi inaugurada em 3 de abril de 1997. Em abril de 2015, o veículo de teste MLX01 
(mostrado acima) atingiu uma velocidade incrível de 374 mph (603 km / h). 
 
 
 Aplicação da tecnologia MAGLEV 
 
 
 
Uma área onde os supercondutores podem desempenhar uma função de salvar vidas é 
no campo do biomagnetismo. Os médicos precisam de um meio não invasivo de 
determinar o que está acontecendo dentro do corpo humano. Ao incidir um forte campo 
magnético derivado de supercondutor no corpo, os átomos de hidrogênio que existem na 
água do corpo e nas moléculas de gordura são forçados a aceitar energia do campo 
magnético. Eles então liberam essa energia em uma frequência que pode ser detectada e 
exibida graficamente por um computador. A Ressonância Magnética (MRI) foi descoberta 
em meados dos anos 1940. Mas, o primeiro exame de ressonância magnética em um ser 
humano não foi realizado até 3 de julho de 1977. E levou quase cinco horas para produzir 
uma imagem! Os computadores mais rápidos de hoje processam os dados em muito 
menos tempo 
Página | 10 
 
 MRI de um cérebro humano 
 
A mais importante aplicação das junções Josephson é realizada num dispositivo denominado 
SQUID (Superconducting Quantum Interference Device – dispositivo supercondutor de 
interferência quântica). Os SQUIDS são usados em magnetômetros muito sensíveis, empregados 
em laboratórios de pesquisa, 5em equipamentos de prospecção geológica, em metrologia, em 
equipamentos para diagnósticos médicos entre outros 
 
 
O magnetômetro SQUID é usado para medir o campo magnético extremamente sutil com base em 
loops supercondutores contendo junções Josephson. O magnetômetro SQUID oferece soluções 
para uma classe única de medições magnéticas sensíveis em áreas-chave, como 
supercondutividade de alta temperatura, bioquímica e mídia de gravação magnética. Em particular, 
o instrumento é usado para estudar magnetização AC / DC, magnetorresistência e efeito Hall de 
materiais magnéticos e eletrônicos. 
 
Página | 11 
 
 
 
FUTURO 
Embora ninguém possa prever quais descobertas futuras serão feitas no campo da 
supercondutividade, alguns desenvolvimentos recentes no sistema de bronze de 
tungstênio sugerem que um novo panorama pode estar surgindo. Em julho de 1999, os 
pesquisadores Y. Tsabba e S. Reich do Instituto Weizmann em Israel relataram uma 
possível supercondutividade próxima a 91 K no tungstênio-bronze dopado com sódio 
Na0,05WO3. Este seria o primeiro HTS conhecido que não é um cuprate. A maioria dos 
compostos de tungstênio-bronze que são conhecidos por superconduzir tem Tc abaixo de 
4K - tornando este um achado verdadeiramente tentador. 
 
 
Outras categorias de materiais que a teoria sugere que podem produzir supercondutores 
são os fluoretos de prata superiores e os fluoretos complexos - conhecidos como 
fluoroargentatos. Os fluoroargentatos apresentam uma forte semelhança com os 
oxocupratos, compostos que atualmente possuem as temperaturas de transição mais 
altas de todos os supercondutores conhecidos. Em outubro de 2003, os pesquisadores 
Wojciech Grochala, Adrian Porch e Peter P. Edwards relataram quedas repentinas na 
suscetibilidade magnética em um grande número de amostras de Be-Ag-F. Eles atribuem 
isso a possíveis regiões esféricas de supercondutividade - com um Tc de até 64 K - 
acoplado a um hospedeiro ferromagnético. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Página | 12 
 
Conclusão 
Mesmo depois de um século de sua descoberta, a supercondutividade continua 
desafiando cientistas e pesquisadores em dois aspectos principais: uma teoria ab 
initio que seja capaz de explicar o fenômeno em qualquer intervalo de temperatura e a 
descoberta de um material que seja supercondutor à temperatura ambiente. Uma vez 
superados estes dois desafios, certamente experimentaremos uma revolução tecnológica. 
Os estudos iniciais do MgB2 indicamque o material tem grande chance de se tornar o 
supercondutor preferido para aplicações, substituindo as até agora preferidas ligas de 
Nióbio. Assim, magnetos de alto campo, usados em máquinas de ressonância magnética, 
trens MAGLEVs, etc; cabos de transmissão; SMES e várias outras aplicações poderão ter 
seu custo reduzido com o uso do MgB2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Página | 13 
 
Bibliografia 
 
01. EDUARDO-VFINAL-REVISAO_WAGNER_31_03_2014 
http://www.cpgcm.univasf.edu.br/adm/docs/ 
02. TEMAS ATUAIS DA FISICA – FERNANDA OSTERMANN & PAULO PUREUR 2005 EDITORA 
LIVRARIA DA FISICA 
03. Dissertacao Final Jonathan Zuccon 2016 
https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-12052016-125023/publico/ 
04. H. K. ONNES, COMMUNIC. PHYS LAB. UNIV. LEIDEN 122B 1911 
05. Joe Eck. Superconductors.org. Disponível em: <http://superconductors.org>. Acesso 
em: 8 de agosto de 2001. 
06. "History of Physics Research in Ukraine", by Oleksandr Bakai and Yurij Raniuk, Kharkov 
Institute of Science and Technology, 1993. 
07. Paulo S. Branício 
08. Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos Recebido em 11 de Junho de 
2001 
09. Marconi B.S. Costa1; Antonio C. Pavão Departamento de Química Fundamental, 
Universidade Federal de Pernambuco, Recife, PE, Brasil 
10. REVISTA BRASILEIRA DE ENSINO DE FISICA 
https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_serial&pid=1806-1117&lng=en&nrm=iso 
11. 
http://www.cpgcm.univasf.edu.br/adm/docs/
https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-12052016-125023/publico/
http://superconductors.org/
https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_serial&pid=1806-1117&lng=en&nrm=iso