Supercondutividade (ART2379)

De que modo a resistência de um material pode ser reduzida virtualmente a zero e ele se tornar um supercondutor? De que modo os supercondutores vão afetar a nossa vida, agora e no futuro, com o aparecimento de dispositivos nunca antes imaginados? De que modo trabalham os laboratórios especializados no desenvolvimento de materiais supercondutores? As respostas para todas estas perguntas estão neste artigo em que resumimos os princípios de atuação de uma das mais importantes descobertas para a moderna tecnologia.

 

Obs. O artigo é de 1987, o que significa que muitos avanços nos estudos e aplicações da supercondutividade ocorreram desde então. O artigo tem valor pois os princípios abordados são ainda válidos.

 

Os melhores condutores, como a platina e o ouro, apresentam ainda certa resistividade no sentido de que a corrente elétrica não encontra uma liberdade total para sua circulação nestes materiais.

De fato, não existem condutores perfeitos: entre os melhores condutores e os isolantes podemos classificar os materiais conhecidos numa faixa quase que contínua de resistividades, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – De condutores a isolantes
Figura 1 – De condutores a isolantes

 

A existência desta resistividade impede a construção de condutores com resistências nulas, o que seria ideal para a transmissão de energia

De fato, estima-se que mais de 20% da energia gerada numa usina como Itaipú se perde nos fios condutores, devido a sua resistência, antes de chegar a centros consumidores como São Paulo.

Para que você tenha uma ideia de como a energia se perde num condutor, um simples cálculo serve de exemplo:

Imagine que desejamos transmitir energia sob uma corrente de 100 ampères através de um condutor de 100 quilômetros de comprimento que tenha uma resistência da ordem de 1 ohm por quilômetro (Fio AWG No 5).

Aplicando a Lei de Ohm temos:

P = R x I

A resistência será de 100 Ω, pois temos 100 quilômetros de fio:

P = 100 x 1002

P = 100 x 10 000

P = 1 000 000 watts

É pelo fato da perda ser dependente da corrente numa proporção direta ao quadrado que se faz a transmissão de energia sob alta tensão.

Se transmitirmos a mesma quantidade de energia, elevando em 10 vezes a tensão, a corrente pode ser reduzida 10 vezes, no entanto a perda será:

P = 100 x 102

P = 100 x 100

P = 10 000 watts

O que é um valor 100 vezes menor! (figura 2)

 

Figura 2 - Perdas
Figura 2 - Perdas

 

Enfim, a resistência dos condutores é um grande problema para a transmissão de energia, mesmo se elevarmos mais e mais a tensão com que trabalhamos.

Mesmo em menor escala, existem casos em que a resistência pode ser um problema a ser resolvido.

Em bobinas, por exemplo, a resistência do enrolamento implica numa conversão desnecessária de energia elétrica em calor.

Mas, por que os condutores apresentam resistências?

Num metal (condutor) a resistência aumenta com a elevação da temperatura, o que nos revela que a resistência de certo modo está ligada à agitação dos átomos de sua estrutura.

De fato, esta agitação dificulta a movimentação dos elétrons livres, que são os portadores de carga, os quais são obrigados a desenvolver maior energia para poderem circular.

Esta energia “gasta” a mais provoca maior agitação dos átomos e com isso maior elevação de temperatura. Em outras palavras, a energia gasta para vencer a oposição dos átomos de um condutor a circulação da corrente é convertida em calor.

Seria possível fazer com que um material perdesse toda sua resistência “congelando” seus átomos a uma temperatura extremamente baixa?

É o que veremos.

 

ZERO ABSOLUTO

A temperatura de um corpo é uma medida de grau de agitação de seus átomos. Esta agitação traduz a quantidade de energia que eles possuem e pode ser expressa em diversas escalas.

A escala que mais usamos é de graus centígrados (Celsius) que tem na fusão do gelo o seu valor 0. Temperaturas menores que a da fusão do gelo serão expressas por números negativos como -10, -20 graus etc.

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

Se formos esfriando cada vez mais um corpo, seus átomos vão vibrando cada vez menos até um instante teórico em que devem parar.

Como um movimento mais lento que o parado não existe, este seria o grau máximo ou absoluto de esfriamento de um corpo.

Experiências e cálculos mostram que ar temperatura em que isso ocorreria seria de -273o C ou seja, 273 graus abaixo de zero na escala Celsius ou Centígrada

Nesta temperatura teríamos então “Zero Absoluto” de vibrações de um corpo, um zero absoluto de temperatura.

Existe então uma escala mais apropriada à física para a medida da temperatura que põe neste ponto o valor 0 que corresponde à escala absoluta. (figura 3)

 

Figura 3 – A escala absoluta
Figura 3 – A escala absoluta

 

Os graus são medidos em “Kelvin” e cada grau Kelvin tem o mesmo “tamanho” que um grau Centígrado, o que quer dizer que o 0 oC passa a valer 273 graus centígrados.

Para obter uma temperatura qualquer em centígrados ou Celsius basta então “somar 273”. A água ferve a 373 oK (graus Kelvin ou absolutos).

O zero grau Kelvin corresponde então à temperatura mais fria que se pode obter, pois abaixo disso não há nada! Não podemos ter um movimento mais lento que o parado!

Quando esfriamos corpos próximos desta temperatura, coisas estranhas começam a ocorrer, e uma delas é a supercondutividade.

 

SUPERCONDUTIVIDADE

Quando um metal (condutor) é esfriado gradualmente, sua resistência vai diminuindo lentamente, até que perto do zero absoluto ainda resta o que se chama de “resistência residual”.

No entanto, em determinado momento, esta resistência desaparece e o material se torna um supercondutor.

Se induzirmos num material supercondutor uma corrente elétrica, ela não pode ficar circulando durante dias antes de desaparecer, mostrando que praticamente não existe resistência elétrica. (figura 4)

 

Figura 4 – Anel supercondutor
Figura 4 – Anel supercondutor

 

Este fenômeno foi descoberto pelo físico holandês Kamerlingh Onnes e, em 1911, foi chamado de “supercondutividade”.

A temperatura em que um material se torna supercondutor varia de material para material. Para metais puros como, por exemplo, os dados a seguir, esta temperatura varia entr 0,3 e 9o K

 

TABELA

Temperatura de transição para supercondutividade de alguns materiais:

Material Temperatura (oK)
Zircônio 0,3
Cádmio 0,6
Zinco 0,8
Alumínio 1,2
Urânio 1,3
Mercúrio 4,1
Tântalo 4,4
Chumbo 7,3
Nióbio 9,2

Interessante é que determinadas ligas podem ser supercondutoras em temperaturas bem mais elevadas, e que em alguns casos os próprios elementos usados nestas ligas, quando isolados, não manifestam o fenômeno da supercondutividade. Temos alguns exemplos a seguir, tanto de ligas metálicas como de compostos.

 

Material (liga ou composto) Temperatura (oK)
Bi - Pt 0,16
Pb - Au 2,0 - 7,3
Sn - Zn 3,7
Pb - Hg 4,1 - 7,3
Sn - Hg 4,2
Pb - Ag 5,8 - 7,3
Pb - Sb 6,6
Pb - Ca 7,0
NiBi 4,2
PbSe 5,0
SrBi3 5,5
NbB 6
MoC 7,6 - 8,3
Nb2C 9,2
NbC 10,1 - 10,5
NbN 15 - 16
V3Si 17,1
Nb3Sn 18

 

As variações se referem a diversas proporções em que os elementos entram nas ligas, e nos compostos na forma com que ocorrem as ligações atômicas.

Existem, além disso, ligas especiais que são formadas por muitos componentes e que apresentam supercondutividade em temperaturas bem elevadas.

Assim, temos a liga Pb-As-Bi cujo ponto de transição é em 90º K.

Não é difícil imaginar as dificuldades que existem para se obter temperaturas tão baixas.

O que se faz nos laboratórios é utilizar o hélio líquido, cuja temperatura crítica é de -276,9º C ou apenas aproximadamente 5º K, para “banhar” os elementos que se deseja ter a supercondutividade e assim realizar as experiências.

 

EXPLICAÇÕES PARA O FENÔMENO

Se bem que a descoberta seja antiga, existem ainda muitos fatos sobre a supercondutividade que permanecem desconhecidos.

Por que não são todos os materiais que se tornam supercondutores quando esfriados a uma temperatura suficientemente baixa? Por que materiais isolados não manifestam supercondutividade e quando formam compostos ou ligas com outros que eventualmente também não dão origem a supercondutores, manifestam supercondutividade até em temperaturas relativamente altas?

Observa-se que os materiais em que a supercondutividade se manifesta são os elementos que ficam numa porção definida da tabela de classificação periódica, mostrada abaixo.

 


 

 

Mas, sem dúvida algo que é um mistério é o motivo pelo qual elétrons que colidem com átomos em uma estrutura supercondutora, já que a energia não é zero, alguns graus acima do zero absoluto conseguem se movimentar no material sem encontrar resistência alguma.

Em 1957 foi proposta pela mecânica quântica uma explicação para este fato: pares de elétrons conseguiriam ser sincronizados pela vibração térmica do material numa fina camada de energia.

Os elétrons em questão deveriam ter spins opostos para poderem manifestar as propriedades em questão, daí sua manifestação só poder ocorrer em determinados tipos de substâncias.

Podemos dizer que um supercondutor é formado por duas “substâncias” na verdade: uma cada por pares de elétrons numa fina camada de energia e outra formada por um gás de elétrons livres.

Se a temperatura do supercondutor subir gradualmente a partir do zero absoluto, cada vez mais pares de elétrons da substância supercondutora vão se desmanchando até que numa temperatura crítica desaparece o efeito.

Observamos também que em torno do supercondutor forma-se uma barreira magnética de tal forma que no seu interior a intensidade do campo é nula. Se um campo magnético muito forte for aplicado ao material, esta barreira é destruída e ele deixa de ser supercondutor.

Para cada temperatura de um supercondutor existe uma intensidade de campo magnético que “destrói” a supercondutividade.

 

APLICAÇÕES

O que se procura hoje nos laboratório é criar uma substância que manifesta a supercondutividade à temperatura ambiente.

Assim poderíamos desfrutar dos benefícios da ausência de resistência de uma forma muito mais simples.

Cerâmicas criadas em laboratórios brasileiros já conseguem manifestar supercondutividade em temperaturas relativamente altas, mas ainda muito longe da temperatura ambiente.

A primeira possibilidade de aplicação de um supercondutor seria na transmissão de energia. Não teríamos as perdas devidas a resistência elétrica que hoje, como vimos, são responsáveis por uma queda de mais de 30°/o da energia recebida em relação à gerada.

Uma segunda possibilidade seria a produção de superimãs capazes de sustentar enormes pesos.

Um anel de material supercondutor que recebesse uma indução momentânea passaria a reter uma corrente que, dada a falta de resistência, ficaria circuIando por um tempo indefinido. (figura 5)

 

Figura 5 – Imã supercondutor
Figura 5 – Imã supercondutor

 

Esta corrente criaria um campo magnético proporcional à sua intensidade, formando assim um poderoso ímã permanente.

Veículos poderiam então usar tais anéis e flutuar virtualmente sobre campos magnéticos, deslizando sem atrito! (figura 6)

 

Figura 6 – Veículos suspensos em campos magnéticos
Figura 6 – Veículos suspensos em campos magnéticos

 

 

Obs. Hoje isto já é uma realidade

 

Máquinas que usassem tais ímãs-supercondutores de enorme intensidade poderiam ter partes móveis flutuando em campos magnéticos e assim ser eliminado o atrito.

No espaço, onde não existe o problema da temperatura (no vácuo o zero absoluto ou no máximo alguns graus Kelvin são as temperaturas comuns) os supercondutores já poderiam encontrar aplicações práticas importantes.

Anéis de supercondutores poderiam manter unidas partes de uma nave ou estação espacial em fase de montagem. (figura 7)

 

Figura 7 – Motor iônico
Figura 7 – Motor iônico

 

Num motor iônico, anéis supercondutores poderiam ser usados para acelerar feixes de íons.

Enfim, a eliminação da resistência elétrica nos materiais condutores nos levaria a uma nova era para a eletricidade em que novos e inimaginávéis dispositivos seriam criados.

 

Bibliografia:

1. Introduction To Physics - A. Kitaigorodsky - MIR - Moscow - 1968;

2. Curso de Física General - S. Frish, A. Timore va - MIR - Moscow - 1968;

3. Handbook of Elementary Physics MIR - Moscow - 1968.

Observação final: o autor tem em sua biblioteca muitos livros russos de física da década de 60 e 70 quando a Rússia era considerada o país mais avançado nessa ciência.

 


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