UNINASSAU - Livro Unidade 4.1 - Materiais Elétricos

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MATERIAIS 
ELÉTRICOS
Murilo Fraga Da Rocha
Materiais supercondutores 
e aplicações
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste capítulo, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
� Definir a estrutura dos materiais supercondutores.
� Diferenciar materiais supercondutores dos condutores e semicondutores.
� Identificar a aplicação dos materiais supercondutores.
Introdução
Em 1911 foi descoberto o fenômeno da supercondutividade, em Leiden, 
na Holanda, por Heike Kamerling Onnes. Onnes utilizou o hélio líquido 
para levar os metais a temperaturas extremamente baixas e estudou as 
propriedades desses metais. Nesse experimento, ele utilizou uma amostra 
de mercúrio em baixa temperatura e observou a variação da resistência 
elétrica, que foi a praticamente zero.
Onnes interpretou essa propriedade supondo, corretamente, que o 
mercúrio passa de um estado resistivo normal a um novo estado, deno-
minado de estado supercondutor, no qual a resistividade é estritamente 
nula. De fato, a variação abrupta da resistência elétrica em uma tempera-
tura bem definida, denominada temperatura crítica, indica a ocorrência 
de um fenômeno de transição de fase (que tem certas analogias com 
uma transição do tipo líquido-gás), no qual as propriedades eletrônicas 
do metal são modificadas (OSTERMANN, 2005).
Neste capítulo, você vai compreender as estruturas dos materiais 
supercondutores, aprendendo a diferenciar materiais supercondutores 
dos condutores e semicondutores, e também será capaz de identificar 
a aplicação dos materiais supercondutores.
Estrutura dos materiais supercondutores
O mercúrio, que foi o primeiro elemento a ser observado com as características de 
um elemento supercondutor, apresentou-se sem resistência à passagem de corrente 
elétrica próximo a uma temperatura de 4,2 K. Em seguida, os pesquisadores 
descobriram essas características de material supercondutor também no estanho 
e no chumbo: o estanho atinge essas características com temperatura crítica de 3,7 
K, enquanto o chumbo a 7,2 K já se comporta como um material supercondutor. 
Hoje sabe-se que muitos elementos podem atingir essas características 
de material supercondutor quando submetidos a determinadas temperaturas 
críticas. Existem elementos simples que apresentam supercondutividade em 
condições normais de pressão e elementos mais complexos que passam a 
apresentar características de supercondutores apenas quando submetidos a 
pressões elevadas ou quando são condicionados de maneira especial, ou seja, 
na forma de filmes finos ou agregados granulares. Dentre esses encontram-se 
sólidos que são semicondutores em condições normais, como o silício (Si) 
e o germânio (Ge), e até isolantes elétricos, como é caso do oxigênio (O). 
Pesquisas recentes mostraram que existem também supercondutores orgâni-
cos, que são os elementos sólidos de fulereno contendo átomos alcalinos. Esse 
elemento tem sua molécula em forma de bola de futebol, em que os átomos de 
carbono localizam-se nos vértices de hexágonos e pentágonos regularmente 
distribuídos (OSTERMANN, 2005). Na Figura 1, você pode ver o primeiro 
supercondutor orgânico descoberto.
Figura 1. Primeiro supercondutor orgânico.
Fonte: Hoffman Lab (2006).
Materiais supercondutores e aplicações2
William Tomson (Lord Kelvin) criou a escala Kelvin (K), que é uma medida baseada na 
menor temperatura que um corpo poderia atingir, –273°C. Considerando esse ponto como 
zero absoluto, Lord Kelvin determinou o ponto zero da escala. Na escala desenvolvida 
por ele, a água congela em 273 K e ferve a 373 K. Como Kelvin utilizou o zero absoluto 
como a menor medida para a temperatura, ela não utiliza graus e não apresenta medidas. 
Levando em consideração os conceitos acima descritos, podemos afirmar que 
os materiais supercondutores apresentam resistência elétrica desprezível abaixo 
de certa temperatura, denominada temperatura crítica. Eles podem ser tanto 
materiais metálicos como materiais cerâmicos. Mesmo os melhores supercon-
dutores metálicos têm temperaturas críticas muito baixas, menores que 23 K. Os 
condutores cerâmicos, descobertos recentemente, são óxidos mistos e apresentam 
temperatura crítica por volta de 100 K, mas a quantidade de corrente conduzida 
(corrente crítica) é muito baixa. Conclui-se com isso que, quando esses materiais 
são resfriados, sua resistividade decresce normalmente como em qualquer outro 
elemento, mas cai repentinamente a zero a uma temperatura poucos graus acima 
do zero absoluto. A Figura 2 traz a representação da curva da perda da resistividade 
de materiais supercondutores levados a baixas temperaturas.
Figura 2. Perda da resistividade de materiais supercondutores.
Fonte: Adaptada de Ostermann, Ferreira e Cavalcanti (1998). 
Re
si
st
iv
id
ad
e
TemperaturaTC
3Materiais supercondutores e aplicações
Os melhores supercondutores metálicos são geralmente compostos intermetálicos, ou 
seja, substâncias compostas pela combinação de dois metais em proporções definidas, 
tais como Nb3Sn e Nb3Ge ou soluções sólidas como Nb-Ti e Nb-Zr.
A temperatura crítica (Tc) é aquela em que um supercondutor perde a sua 
resistividade elétrica, e é também conhecida como temperatura de transição. A 
temperatura crítica, por ser característica de cada material, apresenta um valor 
diferente para cada tipo de material (MOURACHKINE, 2004). Você pode 
ver no Quadro 1 valores de temperatura crítica de alguns materiais metálicos.
Supercondutor Tc (K)
Nb 9,2
NbTi 9,5
NbN 16
Nb3Sn 18,4
Nb3Ge 23
Ba0,6K0,4BiO3 31
MgB2 39
UPt3 0,5
UBe13 0,9
URu2Si2 1,2
CeIrIn5 0,4
CeCoIn5 2,3
TmNi2B2C 11
LuNi2B2C 16
Quadro 1. Temperatura crítica
(Continua)
Materiais supercondutores e aplicações4
Fonte: Adaptado de Mourachkine (2004).
Quadro 1. Temperatura crítica
Supercondutor Tc (K)
K3C60 19,5
Rb3C60 30
YBa2Cu3O7 93
HgBa2Ca2Cu3O10 135
(Continuação)
A temperatura crítica leva à perda da resistividade elétrica dos materiais, 
uma das principais propriedades características do estado supercondutor de 
qualquer material deste grupo. A Figura 3 mostra a evolução da temperatura 
crítica desde a descoberta da supercondutividade em 1911, quando se utilizou 
uma amostra de mercúrio em baixa temperatura e observou-se a variação da 
resistência elétrica, que foi a praticamente zero.
Figura 3. Evolução da temperatura crítica.
Fonte: Adaptada de Mourachkine (2004). 
5Materiais supercondutores e aplicações
Nos materiais, quando no estado de supercondutividade, existe uma va-
riação de densidade, e a rede cristalina do material sofre um processo de 
relaxação, emitindo um fónon com uma frequência característica desse processo 
de relaxação. Se os elétrons se cruzarem em um intervalo de tempo menor do 
que o intervalo de tempo desse processo de relaxação (por serem partículas 
pesadas, os íons possuem uma inércia maior que os elétrons, demorando certo 
tempo pare retomar à posição original) eles encontrarão uma rede distorcida. 
Desse modo, eles serão atraídos para a região em que existe um excesso de 
polarização das cargas positivas; essa atração poderá superar a repulsão 
coulombiana entre os elétrons, produzindo, portanto, uma atração efetiva 
entre eles (OSTERMANN; FERREIRA; CAVALCANTI, 1998). A atração 
entre dois elétrons devido à distorção da rede está esquematizada na Figura 4. 
 � Fónon é um quantum de energia de vibração de uma rede cristalina. 
 � Repulsão coulombiana refere-se às forças de interação (atração e repulsão) entre 
duas cargas elétricas puntiformes.
Figura 4. Atração devida à distorção da rede.
Fonte: Adaptada de Ostermann, Ferreira e Cavalcanti (1998). 
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Materiais supercondutores e aplicações6
Materiais supercondutores, condutores 
e semicondutores
Os materiais supercondutores são obtidos a partir de elementos condutores,semicondutores e até mesmo de alguns isolantes. Os átomos de todos os ele-
mentos (condutores, semicondutores e isolantes) são formados por elétrons, 
prótons e nêutrons. Os elétrons giram em órbitas em torno do núcleo, que 
é composto pelos prótons e nêutrons. A quantidade de elétrons, prótons e 
nêutrons muda de acordo com cada tipo de elemento químico, e quanto maior 
for a energia do elétron, maior é o raio da órbita por onde ele gira.
Os elétrons que se encontram na camada mais externa são chamados de 
elétrons de valência, e, por isso, essa última óorbita recebe o nome de óorbita 
de valência ou banda de valência. Os elétrons de valência são os elétrons que 
podem se liberar dos átomos por força de alguma energia externa, como calor 
e luz, ou que podem se ligar-se a outro átomo por meio de ligações covalentes, 
que são o compartilhamento de elétrons da última camada de um átomo com 
os elétrons da última camada de outro átomo.
Quando um átomo recebe energia externa, isso faz com que os elétrons de 
valência se tornem elétrons livres, que formandom uma banda de condução 
que pode se movimentar pelo material. Se você aplicar um campo elétrico ao 
material, são os elétrons livres que, ao se movimentarem-se, geram a corrente 
elétrica. Quanto maior a energia necessária para que os elétrons de valência se 
movimentemar, maior é a resistência elétrica do material (SHACKELFORD, 
2008).
A resistividade elétrica (ρ) é uma propriedade do material e está relacionada 
com a resistência elétrica da seguinte maneira:
R = ρ Al
onde:
 � R é a resistência elétrica;
 � A é a área da secção reta perpendicular à direção da corrente;
 � l é a distância entre dois pontos no material.
Podemos também relacionar alguns fatores com a resistência de cada 
material através do estudo da lei de Ohm, que estabelece a seguinte relação:
7Materiais supercondutores e aplicações
R = UI
onde:
 � R é a resistência elétrica;
 � U é a diferença de potencial entre dois pontos no material;
 � I é a corrente elétrica que circula no material.
Na Figura 5 a seguir você pode observar a representação da corrente elétrica 
circulando por um condutor quando aplicadao uma diferença de potencial em 
suas extremidades.
Figura 5. Corrente elétrica passando por um condutor.
Fonte: Adaptada de Schmidt (201?). 
E
I
l
U
A condutividade elétrica (ρ) indica a facilidade com que um material 
conduz corrente elétrica e é o inverso da resistividade. Em função dos valores 
de condutividade ou de resistividade, os materiais podem ser classificados 
como: condutores, semicondutores e isolantes (SCHMIDT, 2010).
Materiais supercondutores e aplicações8
Elevando-se a temperatura de um material condutor, suas partículas come-
çam a vibrar modificando os movimentos dos elétrons e causando perdas nos 
deslocamentos dos elétrons, levando ao aquecimento do material condutor. Se 
traçarmos um gráfico com a curva característica da variação da resistência do 
material em relação à variação da temperatura, podemos observar que a curva 
não tem uma relação constante de variação entre a temperatura e a resistência 
do material. Veja na Figura 6, a representação dessa curva de carga.
Figura 6. Representação da variação da resistência R em função da temperatura T.
Fonte: Adaptada de Schmidt (201?). 
R
T
A
B
TA TB
Na prática, o interesse é a região reta da curva característica (trecho AB), 
cuja inclinação é obtida por:
tgα =
ΔR
ΔT
A relação tgα/R é o denominada de coeficiente de temperatura da resistên-
cia, e representada por αT1. Costuma-se usar como temperatura de referência 
a temperatura inicial de T1 = 20 °C. Assim, temos:
RT2 = R20 [1 + α20 (T2 – 20)]
9Materiais supercondutores e aplicações
A condutividade térmica dos condutores é diretamente proporcional à 
capacidade do material de dissipar energia para o ambiente, ou seja, liberar 
o aquecimento do condutor devido ao aumento de temperatura no material.
Nos materiais condutores, os elétrons de valência passam facilmente para 
a banda de condução sem ter necessidade de muita energia, fazendo com que 
esses materiais resistam pouco a passagem de corrente
Nos materiais isolantes, quase nenhum elétron tem energia suficiente para 
sair da banda de valência e atingir a banda de condução, proporcionando assim 
uma corrente elétrica muito baixa nesses materiais. 
Os semicondutores são materiais que tem características intermediárias 
entre os condutores e os isolantes, ou seja, necessitam mais energia que os 
condutores para que os elétrons de valência passem para a banda de condução 
e proporcionam mais corrente elétrica que os isolantes.
Os supercondutores são aqueles materiais que apresentam, simultanea-
mente, uma resistência à passagem de corrente elétrica extremamente baixa, 
ou seja, uma resistência quase nula, e um excelente diamagnetismo. Esses 
materiais surgem a partir de elementos condutores, semicondutores e até 
mesmo de alguns isolantes
O Quadro 2 apresenta a condutividade elétrica de alguns materiais de 
engenharia.
Fonte: Adaptado de Smith e Hashemi (2012).
Metais e ligas σ (Ω·m)–1 Não metais σ (Ω·m)–1
Prata 6,3 × 107 Grafita 105 (média)
Cobre, pureza comercial 5,8 × 107 Germânio 2,2
Ouro 4,2 × 107 Silício 4,3 × 10–4
Alumínio, pureza comercial 3,4 × 107 Polietileno 10–14
Poliestireno 10–14
Diamante 10–14
Quadro 2. Condutividades elétricas de alguns metais e não metais à temperatura am-
biente
Materiais supercondutores e aplicações10
O diamagnetismo é definido como o estado em que acontece a expulsão 
do interior do material (parcial ou completa) do campo magnético aplicado 
externamente; esse fenômeno é conhecido como efeito Meissner. Quando o 
material supercondutor é esfriado, ele apresenta essas duas propriedades a 
partir da denominada temperatura crítica (TC), na qual o material passa do 
estado normal para o estado supercondutor, ou seja, passa do seu estado de 
condutor, semicondutor ou isolante para o estado de material supercondutor. 
Em um material em seu estado normal, uma corrente elétrica aplicada no 
elemento diminui até zerar devido à resistência à passagem de corrente elé-
trica existente em todos os materiais que não são supercondutores. Enquanto 
nos materiais supercondutores uma corrente elétrica aplicada no elemento 
praticamente não diminui, pois os supercondutores não oferecem quase ne-
nhuma resistência; em um supercondutor, uma corrente continuaria a fluir 
infinitamente (MOURACHKINE, 2004).
As correntes elétricas, quando induzidas em um anel de material supercondutor, 
conservam-se por muito tempo (muitas vezes por anos) sem diminuírem de intensidade, 
mesmo sem ter nenhuma bateria fornecendo corrente elétrica ao circuito.
Quando comparamos os materiais supercondutores com materiais conduto-
res, observamos diversas características que são muito superiores nos materiais 
supercondutores, como o fato de que os supercondutores não produzem calor, 
conduzem eletricidade sem perda de energia e podem gerar campos magnéticos 
muito intensos.
Aplicação dos materiais supercondutores
Hoje se sabe que existem basicamente dois tipos de supercondutor, os mate-
riais supercondutores tipo I e os materiais supercondutores tipo II. Os super-
condutores do tipo I são aqueles formados apenas por um tipo de material, 
como o mercúrio, o chumbo e o estanho, entre outros. O que caracteriza os 
supercondutores do tipo I é que eles possuem apenas um campo crítico com 
valor muito baixo e bem definido, ou seja, o efeito Meissner é total. Já os 
11Materiais supercondutores e aplicações
supercondutores do tipo II são aqueles formados por ligas metálicas e que 
possuem dois campos críticos, o que permite que o material suporte um campo 
magnético mais elevado; nesse caso, há uma pequena penetração das linhas 
de campo magnético para dentro do material, e, por isso, os supercondutores 
do tipo II suportam correntes elétricas de maior intensidade que as suportadas 
pelos supercondutores do tipo I. No caso dos supercondutores tipo II, que têmdois campos críticos, o menor campo representa o limite entre o estado de 
supercondutor ideal para um estado misto, no qual o campo pode penetrar na 
superfície; já o maior campo define a fronteira entre os estados de supercondutor 
e condutor. Isto é, acima do maior campo o material passa a ser condutor. Na 
fase mista, entre o menor campo e o maior campo, o material apresenta uma 
pequena perda de energia por efeito Joule. 
O efeito Joule: a eletricidade está diretamente ligada com o aquecimento. Quando 
aplicamos uma corrente elétrica em um condutor e ele se aquece, denomina-se 
efeito Joule.
Os supercondutores do tipo I excluem o campo magnético do seu interior, 
enquanto o supercondutor do tipo II exclui o campo completamente apenas 
até determinado valor, a partir daí o campo magnético começa a penetrar no 
material, ainda que continue com as características de supercondutor até que 
o campo magnético se eleve ainda mais e consiga penetrar completamente, 
momento em que desfaz as características de supercondutor do material, 
acabando com a supercondutividade (GEUN-JOON, 2011).
Na prática, os supercondutores mais utilizados são os do tipo II, com 
temperatura crítica em torno de –143 °C. Estes condutores são do sistema 
BSCCO, que são óxidos supercondutores compostos por Bismuto, Estrôncio, 
Cálcio, Cobre e Oxigênio, e a proporção de cada um desses elementos vai 
depender da fase supercondutora desejada.
Materiais supercondutores e aplicações12
O efeito Meissner mostra que um material supercondutor é capaz de repelir 
um campo magnético, ou seja, o material se comporta como um diamag-
nético. Uma aplicação prática disso são os trens Maglev; esses trens não 
têm rodas nem estrutura a férrea, eles têm um sistema eletromagnético com 
supercondutores capaz de suportar o peso do trem sem contato físico: apenas 
com o campo magnético repelido pelo material supercondutor o trem flutua 
atingindo velocidades superiores a 400 km/h. Na Figura 7 vemos a imagem 
de um trem Maglev.
Figura 7. Trem Maglev.
Fonte: YMZK-Photo/Shutterstock.com.
Para conhecer mais sobre os trens Maglev, leia o texto “Trens Maglev”, publicado no 
portal São Francisco.
13Materiais supercondutores e aplicações
Uma grande aplicação dos materiais supercondutores é na medicina. Esses 
materiais revolucionaram os equipamentos para diagnóstico médico; um 
exemplo é o tomógrafo por ressonância magnética, um equipamento médico 
que utiliza bobinas de materiais supercondutores metálicos que são resfriadas 
com Hélio líquido para atingir sua temperatura crítica.
Os dispositivos supercondutores de interferência quântica, ou SQUIDs (de 
superconducting quantum interference devices) que são hoje os detectores 
de fluxo magnético mais precisos, são aparelhos que conseguem detectar o 
campo magnético produzido pela atividade cerebral, campos magnéticos de 
intensidade muito baixa, possibilitando assim analisar e identificar as partes 
do cérebro que estão relacionadas aos nossos sentidos. 
Uma grande aplicação do material supercondutor é na fabricação de acu-
muladores de energia elétrica, equipamentos que armazenam energia elétrica 
em forma de energia mecânica. Trata-se de um disco metálico unido a um ímã 
instalado junto de uma bobina; quando a bobina é ligada à tomada, o disco 
gira e transforma a energia elétrica em energia mecânica de rotação, e esta 
se conserva para utilização posterior.
Ainda relacionado à energia elétrica, os supercondutores permitem grande 
redução das perdas nas transmissões de energia elétrica quando utilizados cabos 
supercondutores para a transmissão. A utilização de cabos supercondutores na 
transmissão de energia, em vez de cabos metálicos comuns, elimina perdas 
da ordem de 20%, que acorrem comumente.
Os supercondutores também podem ser usados para a fabricação de super 
ímãs, que são utilizados nas bobinas supercondutoras. O super ímã pode ser 
usado para levitação magnética: para isso, basta colocar um disco supercon-
dutor em baixo de um ímã e baixar a temperatura até a temperatura crítica do 
material. O ímã induz um campo magnético de corrente no supercondutor e 
então começa a flutuar acima desse campo magnético. Na Figura 8 você vê 
um super ímã flutuando.
Materiais supercondutores e aplicações14
Figura 8. Super imã flutuando.
Fonte: l i g h t p o e t/Shutterstock.com.
GEUN-JOON, L. Superconductivity Application in Power System. In: LUIZ, A. (Ed.). 
Applications of High-Tc Superconductivity. [s.l.]: Intech, 2011. p. 45-74. Disponível em: 
<https://www.intechopen.com/books/applications-of-high-tc-superconductivity/
superconductivity-application-in-power-system>. Acesso em: 13 jun. 2018.
HOFFMAN LAB. Properties of bechgaard salts. 2004. Disponível em: <http://hoffman.
physics.harvard.edu/materials/organic/properties.php>. Acesso em: 13 jun. 2018.
MOURACHKINE, A. Room-temperature superconductivity. Cambridge, UK: Cambridge 
International Science Publishing, 2004.
OSTERMANN, F.; FERREIRA, L. M.; CAVALCANTI, C. J. H. Supercondutividade: uma proposta 
de inserção no ensino médio. Porto Alegre: Instituto de Física – UFRGS, 1998. (Textos 
de apoio ao professor de física, 8). Disponível em: <https://www.if.ufrgs.br/public/
tapf/n8_ostermann_ferreira_cavalcanti.pdf>. Acesso em: 13 jun. 2018.
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. 
SCHMIDT, W. Materiais elétricos: aplicações. São Paulo: Blucher, 2011. v. 3.
SCHMIDT, W. Materiais elétricos: condutores e semicondutores. 3. ed. rev. ampl. São 
Paulo: Blucher, 2010. v. 1. 
15Materiais supercondutores e aplicações
SMITH, W. F.; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. 
Porto Alegre: AMGH, 2012.
Leituras recomendadas
ASKELAND, D. R.; WENDELIN, J. W. Ciência e engenharia dos materiais. 3. ed. São Paulo: 
Cengage Learning, 2015. 
BRANÍCIO, P. S. Introdução a supercondutividade, suas aplicações e a mini-revolução 
provocada pela redescoberta do MgB2. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 23, n. 
4, p. 381-390, 2001. 
EFEITO Meissner. [2001?]. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20012/
Carolina/meissner.html>. Acesso em: 13 jun. 2018.
INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. 2018. Disponível em: <http://inovacaotecnologica.com.
br>. Acesso em: 04 jun. 2018.
MAMEDE FILHO, J. Manual de equipamentos elétricos. Rio de Janeiro: Livros Técnicos 
e Científicos, 1994. v. 1 e 2.
MAYO, J. L. Supercondutividade: o limiar de uma nova tecnologia. São Paulo: McGraw 
Hill, 1989.
REZENDE, S. M. Materiais e dispositivos eletrônicos. 3. ed. São Paulo: Livraria da Física, 2014. 
ROSA, F. M. da. Supercondutores. [2003?]. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/tex/
fis01043/20032/Fabiano/supercondutores.htm>. Acesso em: 13 jun. 2018.
SEARA DA CIÊNCIA. [201-?]. Disponível em: <http://www.seara.ufc.br>. Acesso em: 
04 jun. 2018.
THE MAGLEV 2000 OF FLORIDA CORPORATION. Disponível em: <http://www.ma-
glev2000.com>. Acesso em: 
TREM BALA. Disponível em: <http://inventabrasilnet.t5.com.br/tremlev.htm>. Acesso 
em: 
VAN VLACK, L. H. Princípios de ciência dos materiais. São Paulo: Blucher, 1998.
Materiais supercondutores e aplicações16