Compreensão teórica da supercondutividade

1. Introdução

A compreensão teórica da supercondutividade é uma atividade bastante complicada e, talvez por esta razão, hoje, anos após o aparecimento das cerâmicas supercondutoras, cientistas do mundo inteiro buscam uma teoria final para explicá-las.

Supercondutores são materiais que tem a propriedade de conduzirem eletricidade sem que haja perda de energia. É sabido que uma elevação da temperatura de um material faz

com que seus átomos vibrem com mais intensidade, sendo seus elétrons submetidos a constantes colisões que provocam perda de energia. No entanto, pesquisadores do assunto observaram que tal fenômeno mostra-se ineficaz para explicar o fenômeno da supercondutividade, uma vez que a razão da diminuição da resistividade com a temperatura faz-se de forma gradualmente lenta. A compreensão da supercondutividade avanço com o surgimento da Teoria BCS ( J. Bardeen, L.Cooper e R. Schrieffer) que explica o seu fenômeno em temperaturas próximas ao zero absoluto. A Teoria BCS mostra como é possível obter o acoplamento de elétrons aproveitando-se as vibrações internas do sólido, chamadas de “fonons”. Essas vibrações, se estiverem organizadas, criam uma espécie de depressão que mantém os elétrons juntos. O emparelhamento dos elétrons torna-se favorável à supercondutividade a medida que põem o material em um estado mais baixo de energia.

Os metais e as ligas de supercondutância têm temperaturas que as caracterizam quando da transição de categoria de condutores normais a supercondutores. A esta temperatura denomina-se “Temperatura Crítica”, sendo que abaixo das mesmas a resistividade do material é exatamente zero. Dessa forma, desde que não há perdas de energia, fios supercondutores podem suportar correntes muito grandes, até um ponto em que a mesma inicia um processo de desalinhamento dos spins dos elétrons do material, provocando a destruição da supercondutividade.

Uma outra característica relevante nos supercondutores encontra-se no bastante dos mesmos serem diamagnéticos perfeitos, isto é, possuem a habilidade de repulsar um campo magnético exterior ao mesmo aplicado. O fenômeno do diamagnetismo presente nos supercondutores podem ser explicados pelo “Efeito Meissner”. Tal efeito pode ser basicamente entendido como um anulamento do campo externo aplicado, devido a corrente de superfície criada no qual produz um campo magnético que se opõe exatamente ao campo externo, produzindo um “espelho magnético”. Esta propriedade dos supercondutores é talvez a propriedade macroscópica mais fundamental de um supercondutor. Há basicamente dois tipos de supercondutores. Os do Tipo I, conhecidos como “supercondutores macios” exigem temperaturas mais baixas para se tornarem supercondutores. Eles são caracterizados por uma transição muito estreita a um estado de supercondutividade

2. Principio Supercondutividade e tipos

Uma característica comum aos supercondutores é a transição de fase em que sob certas condições um material passa de um estado não supercondutor para um estado supercondutor. O fato de um material transacionar entre dois estados e de forma reversível e controlada, facilitou o avanço nas pesquisas neste ramo do conhecimento, pois uma mesma amostra poderia ser ensaiada inúmeras vezes sem prejuízo ou deterioração de suas características.

Os supercondutores são classificados de duas maneiras: supercondutores do

tipo I e os do tipo II. Os primeiros são aqueles que apresentam o efeito Meissner quando resfriados abaixo de Tc. Ou seja, apresentam uma transição abrupta entre o estado normal e o supercondutor e ainda, a maior parte deles são constituídos de metais puros e possuem baixos valores de Hc e Tc., sendo por isso seu uso de difícil aplicação prática.

Os supercondutores do tipo II, que se caracterizam por ter elevados valores de Tc e Hc. O Nb é uma exceção, pois é o único elemento puro que apresenta supercondutividade do tipo II, cuja Tc é da ordem de 9,6K, apresentam uma transição mais gradual entre os estados normal e supercondutor, passando por um estado chamado estado misto, fato que se observa em ligas metálicas e cupratos. Apresentam no estado misto valores intermediários de Hc1 (fim do estado Meissner e início do estado misto) e Hc2 (fim do estado misto e da supercondutividade do material- início da fase normal). Abaixo de Hc1 é a região conhecida como estado Meissner. Entre Hc1 e Hc2 os campos são parcialmente expulsos, mas a amostra mantém as características elétricas supercondutoras, sendo esta região chamada de mista ou estado de vórtices e, apenas quando o campo aplicado ultrapassa Hc2 a amostra volta ao estado normal, perdendo assim todas as propriedades da supercondutividade. Em alguns casos o campo crítico Hc2 é 100 vezes superior a Hc1. Os supercondutores do tipo II, exatamente por ter elevados valores de Tc e Hc, têm despertado o maior interesse na pesquisa e aplicação comercial. O YBCO é do tipo II. Existem outros parâmetros que também caracterizam os materiais supercondutores, tais como as suas medidas de comprimento que são: comprimento de correlação (ξ) e comprimento de penetração (ƛL). O primeiro termo se refere à distância entre os elétrons que compõe o par de Cooper, assunto que será abordado quando discutirmos a teoria BCS, e o segundo termo se refere a penetração do campo magnético externo no interior do material supercondutor.

3. Particularidades do tipo II

Todos os Supercondutores denominados de HTS são