Exemplo de materiais supercondutores

Química / by admin / July 04, 2021

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Um material supercondutor é aquele que mostra a capacidade de conduzir energia elétrica sem apresentar resistência ou perdas de energia em determinadas condições. Essa qualidade é chamada de Supercondutividade e Foi descoberto em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes.

Concluiu-se que, conforme a temperatura diminui, a resistividade elétrica de um material condutor metálico torna-se gradualmente mais pobre; No entanto, nos condutores normalmente usados, como cobre Cu e prata Ag, defeitos como impurezas geram um valor máximo na substância. No caso do cobre, mesmo próximo ao zero absoluto, uma resistência diferente de zero é mostrada.

A resistência de um supercondutor cai drasticamente para zero quando o material esfria abaixo de sua temperatura crítica. Uma corrente elétrica fluindo em um fio supercondutor pode persistir indefinidamente sem uma fonte de energia. Como o ferromagnetismo e as linhas espectrais atômicas, a supercondutividade é um fenômeno da mecânica quântica.

Caráter magnético de supercondutores

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Embora a propriedade mais marcante dos supercondutores seja a ausência de resistência, não se pode dizer que se trata de um material de condutividade infinita. Na verdade, um material supercondutor tipo I é perfeitamente diamagnético. O diamagnetismo é a qualidade de um material que permite afastar os campos magnéticos. Ao contrário do paramagnetismo, que consiste em reagir à atração de campos magnéticos. Isso significa que ele não permite a penetração do campo, o que é conhecido como efeito Meissner.

Os campos magnéticos diferenciam dois tipos de supercondutores: tipo I, que não permitem a penetração de um campo magnético externo (o que implica um esforço de alta energia, e implica a ruptura repentina do estado supercondutor se a temperatura crítica for excedida), e aqueles do tipo II, que são supercondutores imperfeitos, no sentido de que o campo penetra efetivamente através de pequenos canais chamados vórtices de Abrikosov, ou fluxões. Esses dois tipos de supercondutores são, na verdade, duas fases diferentes que foram previstas por Lev Davidovich Landau e Aleksey Alekséyecih Abrikosov.

Quando um campo magnético externo fraco é aplicado a um supercondutor tipo II, ele o repele perfeitamente. Se for aumentado, o sistema torna-se instável e começa a introduzir vórtices para diminuir sua energia. Esses vórtices estão aumentando em número, colocando-se em redes de vórtices que podem ser observadas por meio de técnicas apropriadas. Quando o campo é grande o suficiente, o número de defeitos é tão alto que o material não é mais um supercondutor. Este é o campo crítico que impede que um material seja supercondutor e depende da temperatura.

Caráter elétrico de supercondutores

O surgimento do superdiamagnetismo se deve à capacidade do material de criar supercorrentes. As supercorrentes são correntes de elétrons nas quais nenhuma energia é dissipada, de forma que podem ser mantidas para sempre sem obedecer ao Efeito Joule de perda de energia devido à geração de calor. As correntes criam o forte campo magnético necessário para sustentar o efeito Meissner. Essas mesmas correntes permitem que a energia seja transmitida sem gasto de energia, o que representa o efeito mais marcante deste tipo de materiais.

Como o número de elétrons supercondutores é finito, a quantidade de corrente que o material pode transportar é limitada. Portanto, existe uma corrente crítica a partir da qual o material deixa de ser supercondutor e começa a dissipar energia.

Em supercondutores do tipo II, o aparecimento de fluxões faz com que, mesmo para correntes mais baixas Criticamente, uma dissipação de energia é detectada devido à colisão dos vórtices com os átomos da rede.

Supercondutores de alta temperatura

Devido às baixas temperaturas necessárias para atingir a supercondutividade, os materiais mais comuns são Eles geralmente são resfriados com hélio líquido (o nitrogênio líquido só é útil no manuseio de supercondutores de alta velocidade). temperatura). A montagem necessária é complexa e cara, sendo utilizada em poucas aplicações, como na construção de eletroímãs potentes para ressonância magnética nuclear (RMN).

Na década de 80, eles foram descobertos supercondutores de alta temperatura, que exibem a transição de fase em temperaturas acima da transição líquido-vapor do nitrogênio líquido. Isso reduziu os custos no estudo de tais materiais e abriu as portas para a existência de materiais supercondutores em temperatura ambiente, o que significaria uma revolução na indústria do mundo contemporâneo.

A maior desvantagem dos supercondutores de alta temperatura é sua composição cerâmica, o que os torna inadequados para a fabricação de cabos por deformação plástica. No entanto, novas técnicas têm sido desenvolvidas para a produção de fitas como o IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Através desta técnica, cabos com comprimentos superiores a 1 quilômetro foram alcançados.

Exemplos de aplicações de supercondutores

Um supercondutor se comporta de maneira muito diferente dos condutores normais. Não é um condutor cuja resistência é próxima de zero, mas a resistência é exatamente igual a zero. Isso não pode ser explicado pelos modelos convencionais usados para drivers comuns, como o modelo Drude.

Os ímãs supercondutores são alguns dos eletroímãs mais poderosos conhecidos. Eles são usados em trens maglev (levitação magnética), em máquinas de ressonância magnética nuclear (NMR) em hospitais e no direcionamento do feixe de um acelerador de partículas. Eles também podem ser usados para separação magnética, onde partículas magnéticas fracas são retiradas de um fundo de menos partículas ou partículas não magnéticas, como nas indústrias de pigmentos.

Supercondutores também têm sido usados para fazer circuitos digitais e filtros de radiofrequência e micro-ondas para estações rádio-base de telefonia móvel.

Supercondutores são usados para construir junções Josephson, que são os blocos de construção de SQUIDs (Dispositivos de interferência quântica supercondutores), os magnetômetros mais conhecidos confidencial.

Dependendo do modo de operação, uma junção Josephson pode ser usada como um detector de fótons ou como um misturador. A grande mudança na resistência à transição do estado normal para o estado supercondutor é usada para construir termômetros em detectores de fótons criogênicos.

Aplicações inovadoras e voltadas para o futuro incluem transformadores de alto desempenho, armazenamento de energia, transmissão de energia elétrica, motores elétricos e dispositivos de levitação magnético.

No entanto, a supercondutividade é sensível a campos magnéticos em movimento, para aplicações que usar corrente alternada, como transformadores, será mais difícil de fazer do que aqueles que são alimentados com corrente continue.