Os supercondutores e materiais supercondutores são metais, cerâmicas, materiais orgânicos ou semicondutores altamente dopados que conduzem eletricidade sem resistência.
Os materiais supercondutores podem transportar elétrons sem resistência e, portanto, não liberam calor, som ou outras formas de energia. A supercondutividade ocorre à temperatura crítica de um material específico (Tc). À medida que a temperatura diminui, a resistência de um material supercondutor diminui gradualmente até atingir a temperatura crítica. Neste ponto a resistência diminui, muitas vezes até zero, como mostrado no gráfico à direita.
Neste momento, a maioria dos materiais deve alcançar um estado de energia extremamente baixa através de baixas temperaturas e/ou altas pressões, a fim de alcançar a supercondutividade. Enquanto os supercondutores de pesquisa que são eficazes a temperaturas mais elevadas estão em desenvolvimento, a supercondutividade normalmente só é possível com processos de resfriamento caros e ineficientes.
Os supercondutores apresentam características únicas, além de sua capacidade de conduzir perfeitamente a corrente. Por exemplo, muitos expulsam campos magnéticos durante a transição para o estado supercondutor. Isto é devido ao efeito Meissner pelo qual materiais supercondutores estabelecem correntes elétricas perto de sua superfície em Tc, cancelando assim os campos dentro do próprio material. Um imã estacionário sobre um supercondutor demonstra este efeito: como o supercondutor esfria através de sua temperatura crítica, a expulsão do fluxo magnético do condutor faz com que o imã levite acima do material.
O efeito Meissner: o fluxo magnético de um supercondutor acima (esquerda) e abaixo da temperatura crítica.
Princípios
Princípios do supercondutor podem ser explicados pelo exame de várias fórmulas. Primeiro, a falta de resistência em um supercondutor portador de corrente pode ser ilustrada pela lei de Ohm, R=V/I, onde R é resistência, V é tensão e I é corrente. Como os materiais supercondutores transportam corrente sem tensão aplicada, R=0. A supercondutividade também não implica perda de potência, uma vez que a potência é definida como P=I2R; como R é zero num material supercondutor, a perda de potência é zero.
Estas fórmulas, juntamente com outros princípios supercondutores, são explicadas no vídeo educativo abaixo.
Video crédito: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Tipos
Os supercondutores são classificados em materiais Tipo I e Tipo II.
Os materiais Tipo I mostram pelo menos alguma condutividade à temperatura ambiente e incluem principalmente metais puros e metalóides. Eles têm baixas temperaturas críticas, normalmente entre 0 e 10 K (-273°C e -263°C respectivamente). Como discutido acima, este tipo experimenta uma diminuição repentina na resistência, bem como a expulsão completa dos campos magnéticos (perfeitamente diamagnéticos) à temperatura crítica.
Os metais do Tipo I alcançam supercondutividade através da desaceleração da atividade molecular por meio de baixas temperaturas. De acordo com a teoria BCS, isto cria um ambiente propício ao emparelhamento de Cooper para que os pares de elétrons sejam capazes de superar obstáculos moleculares, levando ao fluxo livre de elétrons sem tensão aplicada.
Cobre, prata e ouro são três dos melhores condutores metálicos, mas não são supercondutores. Isto é devido às suas estruturas de células cúbicas centradas na face (FCC), que são tão bem embaladas que as vibrações da malha de baixa temperatura essenciais à supercondutividade não conseguem coagir os elétrons livres aos pares Cooper. Enquanto alguns metais FCC como o chumbo são capazes de supercondutividade, isto é devido a fatores externos como o baixo módulo de elasticidade do chumbo.
A maioria dos materiais do Tipo II são compostos metálicos ou ligas, embora vanádio elementar, tecnécio e nióbio também se enquadrem neste grupo. Eles são capazes de supercondutibilidade a temperaturas críticas muito mais altas. Por exemplo, o teste de 2015 do Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ produziu um Tc de 400 K (+129°C), acima de 100°C acima da temperatura ambiente, embora os materiais mais comuns do Tipo II tenham temperaturas críticas dentro da faixa de 10-130 K. A partir de 2015 não há consenso científico quanto à razão para estas temperaturas críticas mais elevadas.
Os materiais Tipo II também assumem um estado misto, o que contrasta com a resistência ao mergulho em Tc para materiais Tipo I, quando se aproximam da sua temperatura crítica. Os estados mistos são causados pelo fato de que os supercondutores Tipo II nunca expulsam completamente os campos magnéticos, de modo que “faixas” microscópicas supercondutoras podem ser vistas no material.
Outras Classificações
Classificação de acordo com os tipos acima é feita teoricamente pelo comportamento do campo magnético. Os materiais Tipo I têm uma única temperatura de campo crítico acima da qual a supercondutividade cessa completamente, enquanto que os materiais Tipo II têm dois pontos de campo crítico entre os quais pode existir um estado misto. Outro método para classificar supercondutores é por temperatura, com materiais de “baixa temperatura” caindo abaixo da supercondutividade resfriado a líquido e os de “alta temperatura” caindo acima dela. Materiais de baixa temperatura podem ser resfriados utilizando gases líquidos como néon, hidrogênio e hélio.
Uma lista abrangente de temperaturas críticas para materiais supercondutores pode ser encontrada aqui para Tipo I e aqui para Tipo II.
O gráfico abaixo ilustra essa distinção, bem como uma linha do tempo mostrando o histórico de descobertas de temperaturas críticas. Materiais com temperaturas críticas caindo acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (cerca de 77 K) são conhecidos como materiais de alta temperatura. O aumento dramático de Tc visto no meio do gráfico é o resultado da descoberta de taxas de cúpula supercondutoras e perovskites com Tc elevado em 1986 e 1987.
Factores de Forma de Produto
Fornecedores de supercondutores e materiais supercondutores oferecem produtos em várias formas diferentes, alguns dos quais são listados abaixo.
Materiais supercondutores em bruto incluem compostos químicos na forma de pós ou cristais. O pó supercondutor é incorporado na fabricação de células combustíveis mais eficientes, membranas de separação de gás e baterias de íons de lítio.
Magnets são produzidos para aplicações MAGLEV e MRI, como discutido abaixo, assim como microscopia e espectroscopia NMR/EPR.
Fio e cabo são usados na transmissão de energia supercondutora e pesquisa científica em campos magnéticos ultra-altos.
Os fabricantes de supercondutores podem se especializar no avanço de um determinado composto supercondutor, como fórmulas à base de nióbio ou diboreto de magnésio (MgB2).
Aplicações
Os supercondutores não estão disponíveis em larga escala comercial devido ao extenso resfriamento necessário para atingir estados supercondutores. Eles são comuns em algumas aplicações especializadas, incluindo:
TremMAGLEV usam ímãs supercondutores para praticamente eliminar o atrito entre o trem e os trilhos. O uso de eletroímãs convencionais desperdiçariam grandes quantidades de energia via perda de calor e exigiriam o uso de um ímã de difícil manuseio, enquanto os supercondutores resultam em eficiência superior e ímãs menores.
Ressonância magnética (RM) usa campos magnéticos gerados por supercondutores para interagir com átomos de hidrogênio e moléculas de gordura dentro do corpo humano. Estes átomos e moléculas libertam então a energia que é detectada e formada numa imagem gráfica. A RM é um método radiográfico amplamente utilizado para diagnóstico médico ou estadiamento de doenças como o câncer.
Geradores elétricos construídos com fio supercondutor alcançaram 99% de eficiência em testes experimentais, mas ainda não foram construídos comercialmente.
Geração de energia elétrica usando cabos supercondutores e transformadores foi experimentalmente testada e demonstrada.
Padrão
Vários padrões e manuais publicados abordam supercondutividade e supercondutores. Exemplos incluem:
- BS EN 61788-Supercondutividade (série)
- IET-Electrodinâmica teoria dos supercondutores
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials