História da supercondutividade

História da supercondutividade

Grandes avanços na área da refrigeração a baixíssimas temperaturas foram feitos durante o século XIX. A supercondutividade foi primeiramente retratada em 1911 pelo físico holandês, Heike Kamerlingh Onnes, cuja grande parte da sua contribuição científica está no campo da refrigeração a temperaturas extremamente baixas. Por volta de 1908, em seu laboratório em Leiden, conseguiu liquefazer o hélio resfriando algumas amostras a uma temperatura de 1 K. Onnes produziu apenas poucos milímetros cúbicos de hélio líquido naqueles dias, mas foi um marco para novas explorações em regiões de temperaturas nunca antes estudadas. O hélio líquido permitiu a possibilidade e se alcançar temperaturas próximas ao zero absoluto (0 Kelvin), a menor possível de se alcançar.

O que são materiais supercondutores?

Supercondutividade (SC) é uma propriedade física. De característica intrínseca de certos materiais, quando se esfriam a temperaturas extremamente baixas, para conduzir corrente sem resistência nem perdas, funcionando também como um diamagneto perfeito abaixo de uma temperatura crítica, ou melhor, pode ser entendido como um fenômeno quântico-macroscópico, ou seja, este estado pode ser descrito por uma única função de onda. O material supercondutor exibe duas características: resistividade nula, quando resfriado abaixo de certa temperatura crítica, Tc, e diamagnetismo perfeito, ou seja, exclusão do campo magnético de seu interior. Esta última característica é denominada efeito Meissner.

Efeito Meissner

Antes de prosseguirmos é interessante conhecermos o EFEITO MEISSNER. O efeito Meissner nos diz que quando submetemos um supercondutor a um campo magnético externo menor que Bc, as linhas do campo magnético são expelidas do material, ou seja, o campo magnético no interior do supercondutor é sempre nulo, como mostra a figura 1 abaixo.

Figura 1

O mecanismo através do qual as linhas de campo são canceladas no interior do material é a seguinte: uma supercorrente (denominada corrente de blinadagem) é induzida na superfície do material, esta corrente tem direção e intensidade suficiente para cancelar o fluxo magnético externo no seu interior.

O fato do supercondutor ter um Bc é devido à explicação anteriormente, pois é necessário uma dada energia para anular o fluxo magnético externo e essa energia segue a expressão: E = B2/8p

Sendo assim quando B se torna maior que Bc, não existe energia suficiente para criar a supercorrente e material volta a seu estado normal. Isso explica a levitação.

Condutividade e Resistividade

Para tratarmos da propriedade supercondutora é imprescindível introduzirmos conceito de condutividade e resistividade.

A condutividade é uma propriedade que determinados materiais têm de transportar cargas elétricas ao longo de sua rede de átomos, e em oposição a esse movimento existe a resistividade.

Como já é bem conhecida, a maior parte das propriedades físicas variam com a temperatura, a condutividade e a resistividade não são diferentes.

A equação abaixo descreve a relação entre a temperatura e a resistividade, para uma faixa razoável de temperatura.

Em geral a relação entre a temperatura e a resistividade é razoavelmente linear para a maioria dos metais. Com isso, já no inicio do século, se esperava que em temperaturas muito baixas, próximo ao “zero absoluto” a resistividade poderia tender a zero, aparecendo uma nova propriedade de supercondutividade. Supercondutores são materiais que apresentam pouca ou nenhuma resistência ao fluxo elétrico.

Todas as teorias citadas anteriormente eram conhecidas no início do século XIX, mas não eram comprovadas para temperaturas muito baixas. Quando Heike Kamerlingh Onnes (foto ao lado), o primeiro pesquisador a liquefazer o hélio em 1908, resolveu realizar experiências com temperaturas pouco acima do “zero absoluto” em torno de 4 K.

Heike K. Onnes esperava três possíveis resultados devido às teorias da época. A figura abaixo demonstra as possibilidades representadas graficamente na figura 2:

Figura 2

a)Essa curva ocorreria se resistência fosse inteiramente devido à obstrução das trajetórias dos elétrons pelas vibrações térmicas, sendo assim a diminuição dessa temperatura aproximando-se a zero faria cessar a resistência.

b)Essa curva era esperada caso as impurezas e imperfeições da rede cristalina influenciassem na resistividade.

c)Essa curva ocorreria se houvesse uma diminuição do número de elétrons de condução devido a algum mecanismo de condensação.Figura 2

No início de suas experiências Heike K. Onnes utilizou dois materiais. Utilizou primeiramente a platina, sem muito sucesso. Em seu segundo experimento utilizou um material, que na sua época, poderia se conseguir maior grau de pureza, o mercúrio.

Podemos observar os resultados obtidos na figura 3 abaixo:

Figura 3

Tanto na experiência com o mercúrio como com a platina, Heike K. Onnes refrigerou os metais com hélio líquido.

No caso do mercúrio verificou que sua resistência elétrica tendia a zero quando sua temperatura era inferior a 4,2 °K.

Essa temperatura é denominada de temperatura crítica Tc, onde o material passa a ser um supercondutor. Heike K. Onnes também percebeu que quando os supercondutores estavam sob influência de um determinado campo magnético, o material voltava a seu estado normal. Com isso determinou um campo magnético críticoHc.

Onnes fez experiência com diversos materiais, basicamente metais. A temperatura crítica e o campo magnético crítico desses foram obeservados e colocados na tabela abaixo figura 4.

Figura 4

O gráfico a abaixo mostra a variação da temperatura crítica do chumbo com o campo magnético. Observe que para T = Tc para B = 0