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Supercondutores (ART157)

 

Materiais que não apresentam resistência elétrica alguma são o sonho de qualquer projetista de instalações elétricas ou dispositivos e circuitos eletrônicos. Sem resistência, a corrente pode fluir sem gerar calor ou dissipar energia e com isso problemas que hoje afligem qualquer projetista de chips ou de circuitos deixam de existir. O "milagre" da ausência da resistência elétrica existe e chama-se supercondutividade. Materiais que perdem a resistência estão sendo pesquisados e podem revolucionar a ciência eletrônica nos próximos anos. Neste artigo falamos dos supercondutores e do que eles podem nos fornecer no futuro.

 

 

 

Todo material, por melhor condutor que seja, apresenta uma certa resistência elétrica, ou seja, uma oposição à movimentação dos portadores de cargas.

O material será tanto melhor condutor quanto menos oposição ele oferecer a passagem da corrente e esta característica é inerente a este material não dependendo do formato ou das dimensões do material considerado.

Esta característica é dada pela condutividade e varia de material para material. Assim, o outro, prata e cobre são excelentes condutores por apresentarem uma elevada condutividade elétrica ou baixa resistividade enquanto que materiais como o ferro, ou o mercúrio são maus condutores por terem baixa condutividade ou elevada resistividade (a resistividade é o inverso da condutividade).

Isso significa que dois condutores de mesma espessura e comprimento feito de materiais de condutividades diferentes terá resistências elétricas diferentes.

Dois fatores influem nos problemas que ocorrem quando correntes elétricas devem ser transmitidas por meios que apresentam uma certa resistência.

Além do fato de que a circulação de uma corrente por um meio que tenha uma certa resistência provoca a geração de calor, deve-se ainda considerar que a resistividade e portanto a dificuldade de passagem desta corrente varia com a temperatura.

Quando mais o material se aquece, maior se torna sua resistência elétrica, conforme mostra a curva característica de uma lâmpada incandescente mostrada na figura 1.

 

 

No entanto, observando que abaixando gradativamente a temperatura dos materiais elas convergem num gráfico, para um ponto em que sua resistividade se torna nula. Isso significa que neste ponto, um condutor fabricado com este material não terá resistência elétrica alguma, ou seja, será um supercondutor, conforme mostra a figura 2.

 

O que ocorre na prática é que em determinada temperatura ocorre uma transição da resistência e não seu desaparecimento de forma gradual. Em temperaturas da ordem de 1 a 7 graus kelvin (entre -272 e -266 graus centígrados) a resistência desaparece e o material se torna um supercondutor.

 

 

ZERO ABSOLUTO

A temperatura de um corpo é a medida do grau de agitação de suas partículas, ou seja, de seus átomos. Esta agitação, na verdade, traduz a quantidade de energia que os átomos possuem e pode ser expressa por um valor.

Diversas escalas podem ser usadas para expressar este valor e no nosso país a mais usada é a de graus centígrados ou Celsius. Esta escala tem por ponto de referência, onde marcamos o 0 o ponto em que ocorre a fusão do gelo.

Temperaturas de objetos mais frios que o ponto de fusão de gelo serão expressas por valores negativos de temperatura.

Veja, entretanto, que se a temperatura é uma medida do grau de agitação das partículas valores negativos não tem muito significado.

Se formos esfriando cada vez mais um corpo, seus átomos vão diminuindo sua vibração até um instante em que teoricamente eles devem parar completamente de vibrar. Como um movimento mais lento que o parado não existe, este ponto seria muito melhor para se marcar o zero do que o ponto de fusão do gelo.

Este seria o mínimo absoluto de esfriamento de qualquer objeto, pois não seria possível obter temperatura mais baixa: não existe movimento mais lento que o parado.

Experiências e cálculos mostram que a temperatura em que isso ocorre é de aproximadamente -273 graus centígrados ou seja, 273 graus centígrados abaixo do zero da escala Celsius. Nesta temperatura temos o "Zero Absoluto".

Podemos então estabelecer uma escala muito melhor para designar temperaturas se usarmos este ponto como zero. Esta escala existe e é denominada escala absoluta de temperaturas ou escala kelvin.

Temos então os graus Kelvin que são do mesmo tamanho que os centigrados de modo que, o 0 grau centígrado passa a corresponder a 273 kelvin, conforme mostram os dois termômetros da figura 3.

 

Assim, quando falamos nas menores temperaturas que podem existir nos referimos às temperaturas perto do zero absoluto em que quase toda agitação térmica dos átomos desaparece e fenômenos como o da supercondutividade podem se manifestar.

 

 

SUPERCONDUTIVIDADE

Este fenômeno foi descoberto pelo físico holandês Kamerlingh Onnes em 1911 e recebe justamente o nome de supercondutividade.

Na figura 4 mostramos um gráfico em que a transição de um material para o estado de supercondutor com o desaparecimento da resistividade é mostrada.

 

Não são todos os elementos que podem chegar a este estado. Assim, nas pesquisas iniciais foi observado o fenômeno em diversos metais puros como o telúrio, cádmio, estanho, mercúrio, chumbo, bismuto, etc.

O grande problema é que, quando tratamos de materiais puros como os metais indicados acima, o fenômeno só se manifesta com temperaturas próximas do zero absoluto, o que dificulta bastante sua utilização.

Manter o material na temperatura em que o fenômeno ocorre implica na utilização de vasos de Dewar (garrafas térmicas) e em banhos de hélio ou nitrogênio líquido, o que significa um grande dispêndio e a necessidade de equipamento especial, conforme mostra a figura 5.

 

No entanto, observa-se que diversos metais podem ser usados na forma de ligas que, dependendo de sua composição podem manifestar o efeito da supercondutividade em temperaturas mais altas.

A busca dos cientistas é justamente um material que seja supercondutor na temperatura ambiente, mas isso está ainda muito longe de ser conseguido.

Assim, para os compostos de nióbio com carbono se consegue uma temperatura de transição da ordem de 15 graus kelvin enquanto que para o nióbio com estanho esta temperatura vai aos 18 graus kelvin. Novas ligas com temperaturas mais altas como a liga de chumbo com arsênio e bismuto que chega aos 90 graus kelvin!

 

 

OUTRAS PROPRIEDADES

Mas, não é apenas a resistividade que cai a zero mas diversas outras propriedades interessantes se manifestam.

Uma das propriedades que se modifica é a capacidade térmica. A taxa de absorção de calor de um material depende de sua natureza e é um número que pouco varia com a temperatura ou varia de forma linear. No entanto, quando o material passa para o estado de supercondutor a capacidade térmica passa a apresentar uma característica de descontinuidade com pontos de variação por saltos.

Outra característica que muda no estado de supercondutividade é a magnética. Os supercondutores são diamagnéticos ideais onde a indução magnética interna é nula.

Este fenômeno é explicado pelo fato de existirem numa finíssima camada externa do material supercondutor correntes que compensam a ação de qualquer campo magnético externo.

Este fato faz com que os supercondutores possam ser "destruídos" por campos magnéticos intensos.

 

 

A EXPLICAÇÃO CIENTÍFICA

O que realmente ocorre com o material para ele perder a resistência quando sua temperatura baixa até o ponto de transição para supercondutor?

As especulações teóricas sobre o que levaria um corpo a se torna um supercondutor vem de longe mas foi somente a partir de 1956 que o físico americano Cooper demonstrou que o ponto fundamental para a obtenção do estado de supercondutividade de um corpo é a formação de pares de elétrons com momentos de spin situados paralelamente, conforme mostra a figura 6.

 

Em 1957 uma explicação adicional foi proposta: a de que os pares de elétrons com spin opostos seriam sincronizados pela vibração térmica do material criando assim uma espécie de barreira energética na sua superfície.

No interior do material seria formada uma espécie de nuvem de elétrons com grande mobilidade, e que poderia conduzir com extrema facilidade a corrente elétrica.

Com isso os elétrons do interior do material entre num estado de "superfluidez" podendo se movimentar livremente, sem encontrar resistência alguma.

 

 

COMO OBTER

Para se obter um material supercondutor basta ter a liga ou metal apropriado e esfriá-lo até a temperatura em que o fenômeno se manifesta.

Experiências muito interessantes podem ser realizadas em laboratórios usando supercondutores esfriados em hélio ou nitrogênio líquido, dependendo da temperatura necessária a manifestação do estado de supercondutividade.

Uma delas é a mostrada na figura 7, tradicional em todas as demonstrações envolvendo este material onde um pequeno imã "flutua" sobre um pedaço de supercondutor.

 

O que ocorre, conforme vimos é que as linhas de força do campo magnético do imã não podem penetrar no material semicondutor que então "cria" uma corrente em sentido tal que tenda a se opor ao campo externo.

Dessa forma, o supercondutor passa a repelir o imã que então "flutua" sobre o material.

O grande desafio para os cientistas é obter materiais supercondutores em temperaturas ambientes e não somente próximas do zero absoluto. Isso permitiria a construção de diversos dispositivos com aplicações práticas importantes.

O conhecido trem experimental que "flutua" sobre imãs seria um que aproveitaria este fenômeno.

O trilho deste trem seria formado por muitos supercondutores alinhados criando fortes campos magnéticos, conforme mostra a figura 8.

 

Na parte inferior do trem haveria um supercondutor que então repeliria os supercondutores fixos de modo a manter o veículo flutuando, ou seja, sem contacto com os trilhos.

O sistema de propulsão seria dado pelo próprio ângulo de propulsão que poderia ser alterado à vontade por um sistema mecânico.

A grande vantagem do sistema seria a ausência completa de atritos e portanto de vibrações. O trem se movimentaria de modo totalmente silencioso e macio.

Outra aplicação é na obtenção de sistemas de acoplamento de mecanismos sem atrito, já que isso pode ser feito pelo campo magnético criado pelo material.

No espaço fala-se numa nave de propulsão iônica com supercondutores. Anéis supercondutores acelerariam feixes de elétrons a velocidades da ordem de 80 000 quilômetros por segundo, conforme mostra a figura 9.

 

Uma nave com este tipo de motor alcançaria velocidades que qualquer outra tecnologia conhecida não conseguiria.

 

APLICAÇÕES NA ELETRÔNICA

A possibilidade de se obter materiais com propriedades supercondutores em temperaturas ambientes abre portas para aplicações fantásticas.

Uma aplicação extremamente importante seria na transmissão de energia já que os fios poderiam ser consideravelmente mais finos e não teriam nenhuma perda, mesmo que transportando correntes muito intensas. Não haveria a necessidade de uma elevação tão grande da tensão que também é uma causa de perdas consideráveis causadas pelas fugas para o ar de cargas.

O chiado que ouvimos nos dias úmidos perto das linhas de transmissão de alta tensão é um indicativo justamente dessas perdas de energia. São cargas que escoam para o ar.

Em qualquer tipo de equipamento elétrico (máquinas industriais, por exemplo) a resistência responsável por perdas poderia ser eliminada completamente.

Na eletrônica, quando for possível obter dispositivos supercondutores operando na temperatura ambiente uma nova revolução tecnológica deve ocorrer. Equipamentos com velocidades e capacidades até então inimagináveis passarão a ser construídos e estarão ao nosso alcance.

 

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