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Supercondutividade
Propriedade Elétrica e Magnética
A descoberta da supercondutividade 1911
Kammerlingh Onnes
(1853 – 1926)
Superconductividade como Propriedade Elétrica
• Tc = temperatura crítica
• T < Tc – estado supercondutor
Resistividade
elétrica nula
Superconductividade como Propriedade Magnética
normal superconductor
Efeito Meissner
=
Diamagnetismo
Perfeito
Supercondutor expele o campo magnético do seu interior
Limites da Supercondutividade • Parâmetros Críticos
– Temperatura Crítica: Tc
– Campo Crítico: Hc (tipo
I), Hc1 e Hc2 (tipo II)
– Densidade de Corrente
Crítica: Jc
2
c
02c2c
T
T1HH
Li Be 0.026
B C N O F Ne
Na Mg Al 1.14 10
Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti 0.39 10
V 5.38 142
Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 0.875 5.3
Ga 1.091 5.1
Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr 0.546 4.7
Nb 9.5 198
Mo 0.92 9.5
Tc 7.77 141
Ru 0.51
7
Rh 0.03
5
Pd Ag Cd 0.56
3
In 3.4 29.3
Sn 3.72 30
Sb Te I Xe
Cs Ba La 6.0 110
Hf 0.12
Ta 4.483
83
W 0.012 0.1
Re 1.4 20
Os 0.655 16.5
Ir 0.14 1.9
Pt Au Hg 4.153
41
Tl 2.39 17
Pb 7.19 80
Bi Po At Rn
Temperatura de transição (K)
Campo magnético crítico (mT)
Fe Tc=1K
(p=20GPa)
Bons condutores não são supercondutores
Nb (Nióbio)
Tc= 9K Tc mais alto Supercondutor sob pressão
Fe
Os elementos supercondutores
Os supercondutores mais usados - ~1960
NbTi
Tc = 9K;
Bc2(em 4,2K) = 11T
Dúctil, abundante, reprodutível
Nb3Sn
Tc = 18K;
Bc2(em 4,2K) = 23T
Melhores Tc e Bc2, porém é frágil
Fio multifilamentar de NbTi
Magneto Supercondutor de NbTi
Caneca de Cu
Caneca de Cu
NbTi Nb
LaBaCuO 40 K / -233 ºC
O primeiro:
HgTlBaCaCuO 138 K / -135 ºC
O recorde:
YBaCuO 92 K / -181 ºC
O mais estudado:
Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras
Bednorz e Müller
Óxidos Supercondutores - 1986 Supercondutores de Alta Temperatura
MgB2 - 2001 Tc= 39 K
Nagamatsu J, et al., Nature 410 63
Bc2fio 16 T
•
Oxi-Pictinídeos – 2008 Supercondutores de alto campo
LaFeAsO0.89F0.11 – Tc 26K
CeFeAsO0.84 F0.16 - Tc 41K
SmFeAsO0.9F0.1 - Tc 43K
NdFeAsO0.89F0.11 e PrFeAsO0.89F0.11: Tc 52K
Tc= 26 K La[O1-xFx]FeAs com (x=0.05-0.12)
Kamihara, Y., et al., J. Am. Chem. Soc. 130 (2008).
Bc2 35 T
Evolução de Tc
1910 1930 1950 1970 1990
20
40
60
80
100
120
140
160
Te
mp
era
tura
de t
ran
siç
ão
su
perc
on
du
tora
(K
)
Hg Pb Nb NbC NbN
V3Si
Nb3Sn Nb3Ge
(LaBa)CuO
YBa2Cu3O7
BiCaSrCuO
TlBaCaCuO
HgBa2Ca2Cu3O9
HgBa2Ca2Cu3O9
(sob pressão)
Temperatura do
Nitrogênio Líquido
(77K)
Origem da Supercondutividade • Interação atrativa elétron-elétron mediada por fônons
• Pares de Cooper - Teoria BCS (1957)
Os pares de elétrons
são os portadores de
carga nestes materiais.
J. Bardeen, L. Cooper e R. Schrieffer
BCS prevê Tc 30-40K Para T > 30 – 40 K a energia térmica bloqueia a interação
elétron-fônon.
YBa2Cu3O7-x e La(2-x)SrxCuO4 Excesso de cargas positivas supercondutor tipo-p; La2CuO(4+x) excesso de elétrons supercondutor tipo-n.
Qual o mecanismo que resulta em supercondutividade nos High Tc??
Ainda há muita controvérsia
Comportamento - Tipos de Supercondutores
Tipo I Tipo II
2c1c HHH
Tipo I M = - H para H < Hc
M = 0 para H > Hc
Tipo II M = - H para H < Hc1
M = M(H) para Hc1 < H < Hc2 M = 0 para H > Hc2
Estado Misto
Importante para densidade de corrente crítica Jc
Chapter 20 - 15
Supercondutores tipo II VÓRTICES
0.1 micron = 1 x 10-4 mm
Supercondutor tipo II
Vórtices
Corrente
Aplicações
Médica: imagem por ressonância magnética
Eletrônica: SQUIDs, limitadores de corrente, magnetos para pesquisa, aceleradores de partículas e sensores.
Chapter 20 - 17
Separação magnética de minérios, blindagem magnética,
trem levitado (Maglev)
Protótipo de limitador de corrente, que combina uma bobina com um supercondutor; começa a redirecionar a corrente dentro de 4 milisegundos da perturbação.
INDUSTRIAL