Supercondutividade: teoria básica e aplicações

Você sabe o que é um supercondutor? Bom, supercondutores são materiais (normalmente metais) que têm uma característica muito interessante: à temperaturas muito baixas eles conduzem eletricidade com resistência *zero*. Como isso é possível? Bom, vamos entender primeiramente o que é corrente elétrica e o que acontece em um material para ele apresentar resistência para conduzir uma corrente elétrica.


A corrente elétrica, nada mais é do que um movimento ordenado de elétrons em um determinado material, para isso, é necessário aplicar uma diferença de potencial sobre o material. Em todo material existe uma banda de valência (última camada do átomo) e uma banda de condução (acima da banda de valência) os metais são caracterizados por terem um gap -quantidade de energia necessária para o elétron dar um salto de camada para camada - zero. Todo material, a princípio, apresenta uma resistência para conduzir corrente elétrica, pois existem impurezas onde o elétron se choca e o próprio movimento dos átomos no material fazem os elétrons terem um pouco de dificuldade para se locomover. Essa resistência pode ser calculada pela lei de Ohm: R = V/i, onde V é a diferença de potencial e i é a corrente elétrica, a lei de Ohm funciona apenas para condutores ôhmicos, onde a variação da diferença de potencial é linear com a corrente, para condutores não ôhmicos não se pode usar a lei de ohm. A resistência faz com que o elétron pecar energia. A energia perdida pelo elétron é transformada em calor pelo material condutor (vemos isso em resistências de chuveiros ou fornos elétricos), conhecido como efeito joule. O aquecimento dos condutores pode ser quantificado calculando a potência dissipada pelo condutor: P = V . i = V²/R = i².R, onde P é a potência dissipada pelo condutor. Porém foi observado que essa dissipação é menor quanto menor a temperatura do condutor. Olhando mais profundamente, vemos que a resistência não depende apenas de V e i, também depende da geometria do fio, do comprimento e também da resistividade do material - resistividade é uma propriedade intrínseca do material a ser experimentado -, podemos juntar tudo em uma única expressão: ρ = R . A/L, onde A é a área da seção transversal do fio, ρ é a resistividade e L é o comprimento do fio, com isso podemos calcular um valor para a resistividade de um material, porém, não incluso na expressão, foi observado experimentalmente que a resistividade geralmente diminui com a temperatura. Foi essa característica bem específica sobre resistividade que o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes trabalhou e descobriu a supercondutividade.


Onnes tinha um trabalho brilhante no seu laboratório e foi capaz de produzir Hélio líquido (sim o gás nobre He) que, a nível do mar, têm uma temperatura absurdamente baixa, chegando a temperaturas da ordem de 1K (-272 ºC). Onnes pegou o hélio líquido e foi medir a queda gradual de resistividade do mercúrio, pois era um metal mais fácil de purificar quando comparado a outros disponíveis. Onnes surpreendeu-se quando observou que quando a temperatura do mercúrio era aproximadamente 4K a sua resistividade caía abruptamente, Onnes mediu cerca de 10^-5 ohm e após outros experimentos concluiu que a resistência havia, de fato, sumido. Onnes e seus colegas chamaram de temperatura crítica, o valor da temperatura que deixava o mercúrio sem resistividade para corrente elétrica.


A supercondutividade foi descoberta. Com o passar dos anos, os estudos foram se aprofundando e hoje temos propriedades muito bem definidas para os supercondutores, vamos ver algumas delas antes de passarmos para uma futura aplicação desses materiais no nosso dia a dia e ver algumas aplicações atuais:

I — Condutividade perfeita, i.e., resistividade elétrica nula para T < Tc. Tc é chamada a temperatura crítica.

II — Correntes persistentes. Em um supercondutor uma corrente gerada por uma imã (lei de faraday), por exemplo, não decai. Continua a circular no supercondutor indefinidamente.

III — A supercondutividade pode ser destruída por um campo magnético exterior superior a um campo crítico Hc (1914). Verifica-se empiricamente que Hc =Hc(0)[1-(T/Tc)²].

IV — A supercondutividade pode também ser destruída por uma corrente crítica: Ic(T) =Ic(0) [(Tc-T)/Tc].

V — Diamagnetismo perfeito: o campo magnético não penetra no material (B=0). Para ser mais exato, o campo existe e fica na superfície do supercondutor, onde flui a corrente persistente do mesmo. Se o campo magnético ja estiver aplicado sobre o material supercondutor quando T > Tc e o resfriarmos para a temperatura crítica, o material vai expulsar o campo magnético de dentro dele, esse efeito é conhecido como efeito Meissner.

VI — A transição de fase para supercondutor é, na ausência de um campo magnético aplicado, do tipo 2 (de forma abrupta, descontínua). Já na presença de um campo magnético, ela é do tipo 1 (continua, mais lenta). O estado supercondutor pode-se dizer que é um outro estado da matéria, mas exclusivo de certos materiais.


Bom, essas são algumas das características dos supercondutores, porém, há uma divisão importante a ser feita, os supercondutores tipo 1 e tipo 2. Bom, por que dividir em dois tipos? Os supercondutores, em sua maioria, apresentam o efeito Meissner total quando o campo magnético aplicado chega no valor crítico. Porém, há supercondutores que apresentam dois valores de campo magnético críticos, vamos ilustrar com um gráfico:


Imagem 1[1]: gráficos dos tipos de supercondutores


os supercondutores de tipo 2, têm o campo crítico normalmente muito maiores que os supercondutores de tipo 1, logo eles são mais úteis para a prática. Bom, vamos à parte prática dos supercondutores:


I) Fios supercondutores (imagem 2): atualmente os fios de transmissão de energia elétrica são de cobre, material não supercondutor, o que nos faz desperdiçar uma quantidade de energia muito grande, devido ao efeito joule os fios esquentam muito e essa energia é desperdiçada. Se substituídos por supercondutores, poderíamos eliminar esse efeito, trazendo assim uma eficiência muito grande para a transmissão de energia elétrica.



Imagem 2 [2]: Fio supercondutor


II) Geradores: podemos construir geradores de energia elétrica onde sua eficiência chega próximo de 100%. Esses geradores supercondutores não precisam de imãs tão grandes e potentes, por conta disso seriam mais leves, não necessitando de uma estrutura interna robusta. Logo eles seriam bem menores e mais leves que os geradores atuais e por não ser tão difícil manter o estado de supercondutividade quanto os fios, os geradores são mais aplicáveis e já ocorre investimento de empresas nessas estruturas.


III) Baterias: podemos construir baterias extremamente eficientes com esses materiais, elas podem ser de dois tipos: SMES (armazenamento de energia magnética supercondutora) e “flywheel”. Essas baterias são utilizadas principalmente para a estabilização de redes elétricas, com destaques para a SMES. A SMES é basicamente uma bobina gigante que mantém uma corrente altíssima podendo ser usada a qualquer momento e a flywheel consiste basicamente em um imã permanente girando em cima de um supercondutor e utiliza o efeito meissner para armazenar energia.


Imagem 3 [3]: baterias supercondutoras. (a) SNES e (b) “Flywheel”


IV) Trem magneticamente levitado (MAGLEV): a tecnologia existente nos permite produzir trens desse tipo, mas com materiais não supercondutores há um desperdício muito grande de energia por ser necessário uma corrente altíssima para produzir campos magnéticos fortes o suficientes para levantar um trem. Com supercondutores, essas correntes são atingidas de forma muito mais fáceis e não existe desperdício de energia em forma de calor. Um trem desse tipo já foi produzido no Japão atingindo uma velocidade de cerca de 550 km/h com uma composição de 5 vagões.


Imagem 4 [4]: MAGLEV fabricado na china


V) Ressonância magnética nuclear (RMN): você já deve ter feito ou visto em alguma série ou filme um exame médico chamado de ressonância magnética. A RMN consiste basicamente na incidência de um campo magnético nos átomos de hidrogênio do corpo humano, esses átomos absorvem e emitem uma onda em uma determinada frequência, com isso podemos gerar imagens através de um computador. Para gerar tais campos magnéticos imensos, são utilizados supercondutores. Para gerar campos magnéticos muito fortes para obtermos essas imagens são necessárias correntes altíssimas. Aplicar tal corrente em um metal comum, a ressonância magnética esquentaria muito e ao invés de um exame médico, seria um forno magnético.


imagem 5 [5]: Ressonância magnética esquema simplificado



Referências bibliográficas:


[1] Curva da Magnetização em função do campo magnético aplicado para supercondutores (a) do tipo I (b) e do tipo II. Disponível em: <https://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/91975/rodrigues_vd_me_ilha.pdf?sequence=1>. Acesso em: Julho de 2020

[2] Maior cabo supercondutor do mundo será instalado na Alemanha. Inovação Tecnológica. Disponível em: <https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=maior-cabo-supercondutor-mundo&id=010115120121#.Xxs0_mhKjIU>. Acesso em: julho de 2020.

[3] Ilustração básica da estrutura de baterias supercondutores. Disponível em: <http://www.sbfisica.org.br/rbef/pdf/v23_381.pdf>. Acesso em: julho de 2020.

[4] MAGLEV fabricado na china. Disponível em: <https://www.revistaenergia.com/18440/>. Acesso em: Julho de 2020.

[5] Esquema simplificado de uma máquina de ressonância magnética. Disponível em: <https://www.canstockphoto.com.br/mri-17795787.html>. Acesso em: julho de 2020



Fontes para o texto:

Livro: Supercondutividade, Fernanda Ostermann e Paulo Pureur.

Livro: Física do estado sólido, Luís Alcacer.