Supercondutores (ALM438)

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

É justamente para vencer esta oposição que energia tem de ser despendida no estabelecimento de uma corrente, e esta energia se converte em calor.

O material será tanto melhor condutor quanto menos oposição ele oferecer à 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 pelo que denominamos "condutividade elétrica" e varia de material para material.

Assim, o ouro, 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 terão resistências elétricas diferentes, conforme sugere a figura 1.

 


 

 

 

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

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 própria temperatura.

Quando mais o material se aquece, maior se torna sua resistência elétrica, conforme mostra a curva característica de uma lâmpada comum incandescente mostrada na figura 2, que é dada pelo comportamento de seu filamento de tungstênio.

 


 

 

No entanto, observando num gráfico que, abaixando gradativamente a temperatura dos materiais, elas convergem para um ponto em que suas resistividades se tornam nulas.

Isso significa que neste ponto, um condutor fabricado com estes materiais não terá resistência elétrica alguma, ou seja, se tornará um supercondutor, conforme mostra a figura 3.

 


 

 

O que ocorre na prática é que em determinada temperatura ocorre uma transição rápida 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 completamente 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 numérico, ou seja, por uma temperatura.

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.

O segundo ponto de referência é o ponto de ebulição da água em condições normais de pressão, onde marcamos 100. 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 a intensidade de 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 de uma escala, 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 ponto de "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, e o 0 grau Kelvin a -273 centígrado, conforme mostram os dois termômetros da figura 4.

 


 

 

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 holandes Kamerlingh Onnes em 1911 e recebe justamente o nome de supercondutividade.

Na figura 5 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 prática.

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 gasto e a necessidade de equipamento especial.

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 de um material que seja supercondutor na temperatura ambiente, mas isso está ainda 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 alcançam pontos de transição para a supercondutividade que chegam aos 90 graus kelvin!

 

OUTRAS PROPRIEDADES

Mas, não é apenas a resistividade que cai a zero quando um material é resfriado abaixo do ponto de transição.

Diversas outras propriedades interessantes se manifestam.

Uma das propriedades que se modifica de forma acentuada 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 sua 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 materiais 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 o estado de 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.

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 entram num estado de "superfluidez" podendo se movimentar livremente, sem encontrar resistência alguma.

 

Ver também:

* Zero Absoluto

* Escala Kelvin 

* Supercondutividade 

* Kamerlingh Onnes 

* Resistência elétrica 

* Magnetismo 


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