sábado, 3 de maio de 2014

SUPERCONDUTORES

Por: Claudinei Rodrigues Ferraz

  Figura 01 - Ímã flutuando sobre a superfície de um material supercondutor

O fenômeno da supercondutividade foi observado em 1911 em Leiden, na Holanda, por Heike Kammerlingh Onnes. Três anos antes a equipe de Onnes havia obtido a liquefação do gás Hélio, que ocorre a 4,2 k (- 268,8 ). Baseado nesta nova descoberta tecnológica, Onnes dedicou-se aos estudos das propriedades elétricas dos metais em temperaturas muito baixas, empregando o Hélio como refrigerante. Também verificou que a resistência do mercúrio praticamente desaparecia em uma temperatura muito baixa, aproximadamente 4k (-452 °F, -269,15 °C). Ele ainda interpretou que o mercúrio passava de um estado resistivo normal, a um novo estado, denominado supercondutor, no qual a resistividade é muito baixa, praticamente nula.  A variação da resistividade em uma temperatura bem definida foi denominada temperatura crítica Tc que indica a ocorrência de um fenômeno onde as propriedades elétricas do metal são modificadas. 

No ano seguinte à descoberta da supercondutividade essa mesma equipe verificou que o chumbo e o estanho também apresentavam essa propriedade com temperaturas críticas de 7,2 K e 3,2 K, respectivamente. Assim, estes resultados mostraram que a supercondutividade não era apenas uma característica do mercúrio e, desde então, surgiu uma série de sistemas de supercondutores com as mais variadas características. O estudo em supercondutividade tem se dedicado ao estudo de vários materiais com as mais variadas propriedades. Os objetivos centrais dessas pesquisas são a melhor compreensão do fenômeno, bem como a procura de materiais que possuam temperaturas críticas elevadas. A queda na resistividade em Tc é brusca para metais puros, mas pode ocorrer ao longo de um intervalo de 1 a 2 K para as ligas. Para determinado supercondutor, a temperatura é reduzida aumentando a densidade da corrente ou aumentando a intensidade do campo magnético.

Até a década de 1980, a atenção era focalizada nos metais e ligas, especialmente à base de Nb e a temperatura crítica estava abaixo de 25K. Na verdade, o desenvolvimento de materiais com temperatura crítica mais alta seguiram uma linha quase reta em uma escala de tempo de 4,12K em 1911 (para o Hg) até 23,3K em 1965 (para o Nb3Ge), um salto dramático na temperatura crítica foi iniciado em 1986 com a descoberta de uma cerâmica (La,Ba)2CuO4 que exibia supercondutividade a 35K. Assim, nos anos seguintes vários compostos apresentaram supercondutividade a temperaturas mais elevadas, como o YBa2Cu3O7 que possui uma temperatura crítica de 95K, um resultado importante, pois é supercondutor a uma temperatura bem acima da temperatura do nitrogênio líquido 77K. Um ano mais tarde uma cerâmica de Tl-Ba-Ca-Cu-O exibiu uma temperatura crítica de 127K. Em 1993, a substituição do Tl por Hg produziu uma temperatura crítica de 133K. Sob pressões extremamente altas (por exemplo, 235 000 atm) a temperatura critica desse material pode ser aumentada para até 150K. A impraticabilidade dessa pressão e a toxicidade do Tl e Hg contribuem para o YBa2Cu3O7  continuar a ser mais estudado dos materiais com alta temperatura crítica.

Em 2005 havia 29 elementos simples que apresentavam essa propriedade de supercondutividade. Em condições normais de pressão, as temperaturas críticas variam entre Tc= 3,3.10-4K para o ródio (Rh) e Tc= 9,25K para o nióbio (Nb). Muitos outros elementos se tornaram supercondutores quando submetidos a pressões muito elevadas ou quando suas amostras são preparadas na forma de filmes finos ou agregados granulados. Dentre estes se encontram os sólidos silício (Si) e o germânio (Ge), semicondutores em condições normais, e até isolantes elétricos, como é o caso do oxigênio (O). Um número crescente de ligas e intermetálicos também se tornam supercondutores em condições especiais. São particularmente importantes a liga Nb-Ti, com Tc= 10K e o composto intermetálico Nb3Sn, para o qual Tc= 18K. Uma descoberta importante é o MgB2, pois tem sua temperatura critica surpreendentemente elevada e alcança 39K. Na década passada foram descobertos outros exemplos muito interessantes de supercondutores orgânicos. São os sólidos de fullerenos, contendo átomos alcalinos. A molécula de fullereno, C60 tem o formato de uma bola de futebol na qual os átomos de carbono arranjam-se nos vértices de hexágonos e pentágonos regularmente distribuídos. Nos sólidos supercondutores a estrutura cristalina é cúbica. Nestes sistemas observam-se temperaturas críticas elevadas.


REFERÊNCIAS

SHACKFELFORD, James F.- Ciência dos Materiais; trad. Daniel vieira.6ª ed. São Paulo: Prentice Hall Brasil, 2008.

Site de Disciplinas da IF.USP: Acesso em: 2014. Disponível em: 
http://www.univerciencia.ufscar.br/n_2_a1/super.pdf
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