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SUPERCONDUTIVIDADE: Alta Temperatura 1

quinta-feira, 26 de junho de 2008

Em 1986, Bednorz e Müller (ref.1) anunciaram a obtenção da supercondutividade em alta temperatura usando o composto BaLaCuO.

Esse material superconduziu mergulhado no nitrogênio líquido, cuja temperatura de liquefação é 77K , ou (-196) graus Celsius.

A partir desse momento, pareceu que estava bem próxima a possibilidade de produzir fios e cabos desse material para conduzir corrente elétrica com resistência nula.

No entanto logo foi constatado que a densidade de corrente crítica para produzir e manter o estado de supercorrente que pode ser conduzida nesse material policristalino tem intensidade muito pequena.

Se aumentar a intensidade da corrente elétrica, o estado supercondutor é destruído.

Em muitos materiais a densidade de corrente é suprimida nos contornos granulares por causa de fenômenos tais como interface com carga elétrica acumulada e a curvatura da banda de energia da estrutura eletrônica.

A substituição parcial – processo de dopagem – do ytrium pelo cálcio no composto YBa2Cu3O7-d tem sido usada para aumentar substancialmente a intensidade da densidade de corrente no contorno granular, mas isso só ocorre em temperaturas muito menores que 77K.

Em 2000, o trabalho da equipe de Hammerl (ref.2) mostrou que uma super dopagem do contorno granular, relativa aos próprios grãos, produz densidade de corrente com intensidade que supera os valores anteriormente publicados.

Esses resultados indicam que a dopagem dos contornos granulares é uma abordagem viável para produzir cabos supercondutores funcionando com a temperatura do nitrogênio líquido.

1- Bednorz, J. G. &MuÈller, K. A. Possible high Tc superconductivity in the BaLaCuO system. Z. Phys. B64, (1986).
2- Mammerl, G. et al., Enhanced supercurrent density in polycrystalline YBa2Cu3O7-d at 77 K from calcium doping of grain boundaries, Nature, 407 (14 september 2000).

SUPERCONDUTIVIDADE: Alta Temperatura

quarta-feira, 18 de junho de 2008

Um material é transformado em supercondutor quando a resistência elétrica do mesmo é anulada.

Isso ocorre quando a temperatura do material fica abaixo de certa temperatura crítica característica para cada material, conhecida como a temperatura de transição.

Até recentemente, a maioria dos supercondutores com temperaturas de transição superiores a 40K – este é o valor máximo para a temperatura prevista pela teoria clássica da supercondutividade, conhecida como a teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schriffer) – eram construídos com camadas de óxido de cobre.

Trabalhando na Universidade de Ciência e Tecnologia da China na cidade de Hefei, a equipe de Xianhui Chen identificou um supercondutor diferente cuja temperatura de transição é superior a 43K.

No início deste ano, os pesquisadores do Japão anunciaram o supercondutor com óxido de ferro LaFeAsO1-xFx, o qual apresenta temperatura de transição de 26K.

Três meses depois, Chen e sua equipe apresentaram o supercondutor de óxido de ferro SmFeAsO1-xFx (ver figura), o qual tem o lantanídeo substituído pelo samarium e essa sutil alteração na composição do material aumentou a temperatura de transição para 43K.

Comparando as temperaturas de transição, os supercondutores com óxido de ferro ainda são inferiores aos com óxido de cobre.

No entanto, a ultrapassagem do limite de 40K previsto pela teoria clássica, torna evidente que os supercondutores de compostos de ferro não são bem descritos pela teoria clássica.

O óxido de ferro contendo samarium abre nova perspectiva para os estudos sobre a origem da supercondutividade com temperatura acima de 40K.

Está interessado no assunto? Então consulte:

1- Chen, X. H. et al. Superconductivity at 43 K in SmFeAsO1-xFx. Nature 453, 761–762 (2008).

2- Kamihara, Y., Watanabe, T., Hirano, M. & Hosono, H. Iron-based layered superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05–0.12) with Tc = 26 K. J. Am. Chem. Soc. 130, 3296–3297 (2008).

OBS: A figura faz parte do trabalho da equipe do Chen e foi publicada na Nature China de 18 de junho de 2008.

SUPERCONDUTIVIDADE : Quase Cem Anos

terça-feira, 3 de junho de 2008

Nas ligações elétricas em nossas casas são usados fios feitos com metais – em geral o cobre, mas pode ser o alumínio – por que, sendo bons condutores de eletricidade em temperatura ambiente, os fios metálicos apresentam a melhor relação custo benefício nesse processo.

O matemático e físico alemão Georg Simon Ohm (1787-1854) estudou experimentalmente a condução elétrica nos fios metálicos em temperatura ambiente e, em 1827, estabeleceu que:

1- a razão entre a tensão elétrica V e a corrente elétrica i no condutor metálico é uma constante característica do circuito, a qual chamou de resistência elétrica: R = V/i.

2- cada material pode ser caracterizado pela resistividade (letra grega ), que está relacionada com a resistência R através da expressão:

na qual constam o comprimento L e a área transversal A do fio.

Ainda no século XIX, os pesquisadores já haviam observado que a resistência elétrica dos metais vai diminuindo conforme a temperatura também diminui.

Em 1908, o físico alemão Heike Kammerlingh Onnes (1853-1926) consegue desenvolver um complexo processo de criogenia que liquefaz o gás hélio quando atinge a temperatura T = – 269 graus Celsius ou 4,2 Kelvin.

Em 1911, Onnes começa a utilizar o hélio líquido para observar o comportamento elétrico de várias substâncias com a diminuição da temperatura, pois ele supunha que deveria haver uma temperatura limite abaixo da qual a resistência elétrica daquele metal atingiria o menor valor ou seria anulada e isso permitiria a melhor condução de eletricidade.

Não havia concordância com essa suposição, pois o matemático e físico escocês William Thomson, o Lord Kelvin (1824-1907) imaginava que em temperaturas muito baixas os condutores de carga elétrica – os elétrons, partículas atômicas identificadas em 1897, pelo físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940) – congelariam.

O primeiro resultado de Onnes foi com o mercúrio, Hg – substância metálica – e para a sua surpresa, o que aconteceu foi completamente diferente do que ele imaginara: enquanto a temperatura diminuía até pouco acima de 4,2K, a resistência também diminuía conforme se esperava, mas quando o Hg atingiu a temperatura de 4,2K, a resistência simplesmente despencou para zero, conforme mostra o gráfico da resistência em função da temperatura medida em Kelvin, feito com as medidas realizadas pelo próprio Onnes. Diante disso, Onnes registrou: “Abaixo da temperatura de 4,2K, o mercúrio passou para um novo estado com extraordinárias características elétricas, o qual pode ser chamado de estado supercondutor”.

Assim nasce um novo campo de pesquisa para melhor conhecermos a natureza: em princípio todos os materiais podem apresentar a propriedade de supercondução abaixo de certa temperatura crítica específica para cada material.

A compreensão dos conceitos de resistência e resistividade elétrica e a descrição teórica da supercondutividade só foram adequadamente desenvolvidas com os conceitos da física quântica, pois é proveniente do comportamento coletivo dos átomos dos materiais, impossível de ser explicado com os conceitos da física clássica.

Durante mais de 60 anos esse conhecimento ficou hibernando nos laboratórios e nas bibliotecas das universidades, porque a supercondutividade dos materiais conhecidos só se manifestava para temperaturas críticas abaixo de 4,2K.

Essa limitação inviabilizou a sua utilização tecnológica, pois para manter o material com essa temperatura era muito dispendioso, tanto pelo custo do hélio líquido, quanto pelo sofisticado isolamento térmico que deveria envolver o material.

O grande desafio estava em identificar algum novo material, ou alguma modificação nos materiais conhecidos, que apresentasse a supercondutividade em temperatura crítica mais elevada, se possível até mesmo em temperatura ambiente.

Isso só aconteceu em 1987, com o surgimento das cerâmicas feitas em laboratório que apresentam supercondutividade em temperaturas críticas de 77K – a temperatura do nitrogênio líquido (ver comentário em postagem anterior: Supercondutores Cerâmicos – 20 Anos).

Agora, com custo inferior a 10% do custo do hélio líquido e menor custo no isolamento térmico, já é possível viabilizar o aproveitamento desse fenômeno, como já estão fazendo com eletroímãs em regime supercondutor, além do projeto de computador com todas os seus circuitos elétricos funcionando como supercondutor.

Nós ainda não estamos convivendo com as inovações provenientes dos materiais supercondutores.

Porém os atuais avanços tecnológicos estão aproximando esses materiais do nosso dia-a-dia.

Por isso continuarei a escrever sobre esse assunto.

Supercondutores Cerâmicos: 20 Anos

terça-feira, 4 de setembro de 2007

Os desafios da ciência de materiais para desenvolver o fio supercondutor de alta temperatura.

Em uma série de descobertas surpreendentes ocorridas há vinte anos, foi identificada uma grande família de materiais cerâmicos cuprate que apresentava supercondutividade em temperaturas superiores, e em alguns casos bem acima, da temperatura de liquefação do nitrogênio, T = 77K.

A imaginação dos pesquisadores foi fortemente ativada pelas perspectivas das aplicações para os condutores com resistência elétrica nula resfriados com um substância criogênica barata e prontamente disponível.

O otimismo inicial, entretanto, logo foi moderado pela dura realidade da aplicação desses novos materiais:
1- a frágil cerâmica não é facilmente transformada em longos e flexíveis fios condutores;
2- os elevados níveis de corrente elétrica requerem um padrão de cristalinidade quase perfeito para a cerâmica;
3- o desempenho cai rapidamente na presença de um campo magnético – o lado mau da alta temperatura de transição.

Apesar desses enormes obstáculos, atualmente milhares de quilômetros de fio supercondutor de alta temperatura estão sendo manufaturados para demonstrações de cabos de transmissão, de motores e de outros componentes elétricos.

A pergunta é se as vantagens do fio supercondutor, tal como a eficiência ea compactação, podem compensar a maior desvantagem: o custo.

Agora o desafio para os cientistas dos materiais é retornar aos fundamentos e extrair o máximo desempenho possível destes maravilhosos e tão complexos materiais.

OBS: Na seqüência desta publicação vou apresentar algumas análises a respeito do comportamento dos materiais supercondutores.