Supercondutores

Definição de Supercondutores

Os materiais podem ser divididos em duas categorias com base na sua capacidade de conduzir eletricidade. Os metais, como cobre e prata, permitem que os elétrons se movam livremente e carregue com eles a carga elétrica. Os isoladores, como a borracha ou a madeira, mantêm seus elétrons firmemente e não permitirão fluir uma corrente elétrica.

Um supercondutor é um material que pode conduzir eletricidade ou transportar elétrons de um átomo para outro sem resistência. Isso significa que nenhum calor, som ou qualquer outra forma de energia seria liberada do material quando atingiu a “temperatura crítica” (Tc) ou a temperatura em que o material se torna supercondutor.

Infelizmente, a maioria dos materiais deve estar em um estado extremamente baixo de energia (muito frio) para se tornar supercondutor. A pesquisa está em andamento para desenvolver compostos que se tornem supercondutores a temperaturas mais elevadas. Atualmente, uma quantidade excessiva de energia deve ser usada no processo de resfriamento, tornando os supercondutores ineficazes e não econômicos.

O que é um Supercondutor?

A supercondutividade é uma propriedade exibida por certos materiais a temperaturas muito baixas. Os materiais encontrados para ter esta propriedade incluem metais e suas ligas (estanho, alumínio e outros), alguns semicondutores e cerâmicas conhecidas como cupratos que contêm átomos de cobre e oxigênio.

Um supercondutor conduz eletricidade sem resistência, uma propriedade única. Também repele perfeitamente os campos magnéticos em um fenômeno conhecido como efeito Meissner, perdendo qualquer campo magnético interno que possa ter tido antes de ser arrefecido a uma temperatura crítica. Por causa desse efeito, alguns podem ser feitos para flutuar sem parar acima de um campo magnético forte.

Para a maioria dos materiais supercondutores, a temperatura crítica está abaixo de cerca de 30 K (cerca de -406 ° F ou -243 ° C).

Alguns materiais, chamados de supercondutores de alta temperatura, fazem a transição de fase para este estado em temperaturas críticas muito mais altas, normalmente superiores a 70 K (cerca de -334 ° F ou -203 ° C) e às vezes até 138 K (cerca de -211 ° F ou -135 ° C).

Esses materiais são quase sempre cerâmicas de cupdra-perovskite. Eles exibem propriedades ligeiramente diferentes do que outros supercondutores, e a forma como eles transicionam ainda não foi inteiramente explicada. Às vezes, eles são chamados de supercondutores de Tipo II para distingui-los do Tipo I mais convencional.

A teoria dos supercondutores convencionais de baixa temperatura, no entanto, é bem compreendida. Em um condutor, os elétrons fluem através de uma rede iônica de átomos, liberando parte de sua energia na rede e aquecendo o material. Esse fluxo é chamado eletricidade. Como os elétrons estão continuamente batendo contra a rede, parte de sua energia é perdida e a corrente elétrica diminui de intensidade enquanto viaja por todo o condutor. Isto é o que se entende por resistência elétrica na condução.

Em um supercondutor, os elétrons que fluem se ligam um ao outro em arranjos chamados pares de Cooper, que devem receber um tremor substancial de energia para quebrar. Os elétrons em pares Cooper exibem propriedades superfluídicas, fluindo sem parar sem resistência.

O frio extremo significa que seus átomos membros não estão vibrando intensamente o suficiente para separar os pares de Cooper. Conseqüentemente, os pares permanecem indefinidamente ligados um ao outro, desde que a temperatura permaneça abaixo do valor crítico.

Os elétrons nos pares de Cooper se atraem através da troca de fonões, unidades quantizadas de vibração, dentro da estrutura vibratória do material. Os elétrons não podem unir-se diretamente uns aos outros da maneira que os nucleones fazem porque não experimentam a chamada força forte, a “cola” que retém os prótons e os nêutrons no núcleo.

Além disso, os elétrons são carregados negativamente e, consequentemente, repelem uns aos outros se eles se aproximam demais. Cada elétron aumenta ligeiramente a carga da rede atômica em torno dela, no entanto, criando um domínio de carga positiva líquida que, por sua vez, atrai outros elétrons.

A dinâmica do aparecimento de Cooper em supercondutores convencionais foi descrita matematicamente pela teoria BCS de supercondução, desenvolvida em 1957 por John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer.

À medida que os cientistas continuam descobrindo novos materiais que superconduzem em altas temperaturas, eles estão se aproximando da descoberta de um material que se integrará com nossas redes elétricas e projetos eletrônicos sem incorrer em enormes contas de refrigeração.

Um avanço importante foi feito em 1986, quando J.G. Bednorz e K.A. Müller descobriu aqueles que trabalham em temperaturas mais elevadas, elevando a temperatura crítica o suficiente para que a frieza necessária possa ser alcançada com nitrogênio líquido e não com caro hélio líquido.

Se os pesquisadores pudessem descobrir materiais adicionais que poderiam ser usados dessa maneira, talvez seja economicamente viável transmitir energia elétrica para longas distâncias sem perda de energia.

Uma variedade de outras aplicações também existem em aceleradores de partículas, motores, transformadores, armazenamento de energia, filtros magnéticos, escaneamento fMRI e levitação magnética.

Como funciona um supercondutor?

Para entender como um supercondutor funciona, pode ser útil examinar como um condutor regular funciona primeiro. Certos materiais, como água e metal, permitem que os elétrons fluam através deles com bastante facilidade, como a água através de uma mangueira de jardim.

Outros materiais, como a madeira e o plástico, não permitem que os elétrons fluam, por isso são considerados não-condutores. Tentando administrar eletricidade através deles seria como tentar correr água através de um tijolo.

Mesmo entre os materiais considerados condutores, pode haver grandes diferenças em quanto a eletricidade pode realmente passar. Em termos elétricos, isso é chamado de resistência. Quase todos os condutores normais de eletricidade têm alguma resistência porque possuem átomos próprios, que bloqueiam ou absorvem os elétrons à medida que passam pelo fio, água ou outro material. Um pouco de resistência pode ser útil para manter o fluxo elétrico sob controle, mas também pode ser ineficiente e desperdício.

Um supercondutor toma a ideia de resistência e a gira na cabeça. Um supercondutor é geralmente composto de materiais sintéticos ou metais como o chumbo ou niobiumtitânio que já possuem uma contagem atômica baixa. Quando esses materiais estão congelados para zero quase absoluto, os átomos que eles fazem têm que se aproximar.

Sem toda essa atividade atômica, a eletricidade pode fluir através do material praticamente sem resistência. Em termos práticos, um processador de computador ou trilho de trem elétrico equipado com um supercondutor usaria pouca eletricidade para desempenhar suas funções.

O problema mais óbvio com um supercondutor é a temperatura. Existem poucas maneiras práticas de super-refrigerar grandes suprimentos de material supercondutor para o ponto de transição necessário. Uma vez que um supercondutor começa a aquecer, a energia atômica original é restaurada e o material cria resistência novamente.

O truque para criar um supercondutor prático reside na busca de um material que se torna supercondutor à temperatura ambiente. Até agora, os pesquisadores não descobriram nenhum metal ou material composto que perde toda a sua resistência elétrica a altas temperaturas.

Para ilustrar este problema, imagine um fio de cobre padrão como um rio de água. Um grupo de elétrons está em um barco tentando chegar ao seu destino a montante. O poder da água que flui a jusante cria resistência, o que faz o barco ter que trabalhar, ainda mais difícil de atravessar todo o rio. Quando o barco chegar ao seu destino, muitos passageiros de elétrons são muito fracos para continuar. Isto é o que acontece com um condutor regular – a resistência natural provoca uma perda de energia.

Agora imagine se o rio estava completamente congelado e os elétrons estavam em um trenó. Uma vez que não haveria água corrente a jusante, não haveria resistência. O trenó simplesmente passaria sobre o gelo e depositaria quase todos os passageiros de elétrons de forma segura a montante. Os elétrons não mudaram, mas o rio foi alterado por temperatura para não produzir resistência. Encontrar uma maneira de congelar o rio a uma temperatura normal é o objetivo final da pesquisa de superconectores.

Descoberta do Supercondutor

A supercondutividade foi descoberta pela primeira vez em 1911, quando o mercúrio foi arrefecido para cerca de 4 graus Kelvin pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes, que lhe valeu o Prêmio Nobel de Física de 1913.

Nos anos seguintes, este campo se expandiu muito e muitas outras formas de supercondutores foram descobertas, incluindo os supercondutores tipo 2 na década de 1930.

A teoria básica da supercondutividade, ganhou os cientistas – John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer – o Prêmio Nobel de Física de 1972. Uma parte do Prêmio Nobel de física de 1973 foi para Brian Josephson, também para trabalhar com supercondutividade.

Em janeiro de 1986, Karl Muller e Johannes Bednorz fizeram uma descoberta que revolucionou a forma como os cientistas pensavam em supercondutores.

Antes desse ponto, a compreensão era que a supercondução manifestada somente quando resfriada para perto do zero absoluto, mas usando um óxido de bário, lantânio e cobre, descobriram que se tornou um supercondutor a aproximadamente 40 graus Kelvin. Isso iniciou uma corrida para descobrir materiais que funcionavam como supercondutores em temperaturas muito mais altas.

Nas décadas passadas, as temperaturas mais elevadas atingiram cerca de 133 graus Kelvin (embora você pudesse obter até 164 graus Kelvin se você aplicasse alta pressão). Em agosto de 2015, um artigo publicado na revista Nature relatou a descoberta de supercondutividade a uma temperatura de 203 graus Kelvin quando sob alta pressão.

Fonte: ffden-2.phys.uaf.edu/www.wisegeek.org/www.iflscience.com/www.thoughtco.com