Supercondutividade

Supercondutividade

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. Quanto maior for ela para um composto, maior será seu potencial para aplicações práticas. A temperatura crítica do boreto de magnésio é de 39 K (-234o C), a mais alta já obtida para um supercondutor intermetálico. Existem hoje cerâmicas supercondutoras com temperatura crítica de 132 K (-141o C).

Esta propriedade foi descoberta em 1911 pelo físico neerlandês Heike Kamerlingh Onnes, quando observou que a resistência elétrica do mercúrio desaparecia quando resfriado a 4K (-452°F, -269.15°C).

Em 1986, os fisicos da IBM Karl, Alexander Müller e Johannes Georg Bedborz, conseguiram supercondutividade em uma cerâmica composta de bário, lantânio, cobre e oxigênio a 35K (-238ºC). Essa descoberta possibilitou um grande desenvolvimento nas pesquisas mundiais de supercondutores, no sentido de se conseguirem materiais que funcionem a temperaturas cada vez mais elevadas.

Merecem destaque as descobertas do físico Paul Ching-Wu Chu, cujo desenvolveu uma ceràmica supercondutora a 92K (-181ºC). Em 1993 esse mesmo cientista desenvolveu outra cerâmica supercondutora, mas desta vez a 160K (-113ºC).

A supercondutividade pode ser entendida 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.

A aniquilação da fase supercondutora se dá pela ocorrência de um ou mais dos seguintes fatores: a aplicação de campo externo, a elevação da temperatura na região experimental e, por fim, a aplicação de correntes de transporte, Jtr. Curiosamente acima de Tc (estado normal) os materiais supercondutores não são bons condutores. Materiais como cobre, prata e ouro não exibem o fenômeno da supercondutividade.

História

Em 1908, H. Kamerlingh Ones iniciou a física de baixas temperaturas liquefazendo o hélio em seu laboratório em Leiden. Três anos depois, quando analisava a resistividade de uma amostra de mercúrio, notou que abaixo de 4,15 K, a resistividade desta caía abruptamente a zero. Inicia-se o fascinante mundo da supercondutividade.

Em 1933, Walther Meißner e Robert Ochsenfeld descobriram que, ao expor um material supercondutor a um campo magnético externo ele excluía todo fluxo de seu interior até um campo crítico, Hc, acima do qual o efeito supercondutor era destruído. Esse efeito ficou conhecido Efeito Meissner. Teorias fenomenológicas, como a de Ginzburg e Landau, que data de 1950, apareceram na tentativa de explicar a supercondutividade. Mais tarde, com sua demonstração a partir da teoria BCS, ela ganhou respeito e popularidade no meio por sua simplicidade.

Em 1957, John Bardeen, Leon Cooper e J. Robert Schriffer propuseram uma teoria microscópica que assume os superelétrons como os portadores de carga do estado supercondutor. Eles são formados por dois elétrons com spins e momentos lineares opostos, atraídos pelos fônons (vibrações) da rede. Essa teoria é conhecida por teoria BCS.

Tipos

Tipo I, que abrangem a maior parte dos supercondutores metálicos (elementos puros e ligas) e apresentam somente o estado Meissner(exclusão do campo magnético de seu interior).

Tipo II, abrangendo todos os compostos cerâmicos e algumas ligas metálicas e apresentam dois valores de campos magnéticos críticos, permitindo em um mesmo material regiões normais e supercondutoras simultaneamente.

Os supercondutores do tipo I têm densidade superficial de energia positiva e por isso, se regiões normais aparecessem em seu interior a energia total desse aumentaria, contrariando o princípio da mínima energia. Já o estado misto dos supercondutores do tipo II é possível pelo fato da sua densidade de energia superficial ser negativa e, com o aparecimento de regiões normais em seu interior, a energia total do sistema é minimizada.