Supercondutividade

Resistência elétrica nula

Metal normal

Luis Ghivelder

A descoberta da supercondutividade

Kammerlingh Onnes (1853 – 1926)

Luis Ghivelder

Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr, Kamerlingh Onnes (1919) 

Luis Ghivelder

Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores

Luis Ghivelder

Os elementos supercondutoresLi 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 magnértico crítico (mT)

Bons condutores não são supercondutores

Nb(Nióbio)

Tc= 9KTc mais alto

Fe

Elementos magnéticos não são supercondutores

Luis Ghivelder

Efeito Meissner (1933)

O campo magnético é nulo dentro de um supercondutor

Luis Ghivelder

BA

i i i

Material SupercondutorCampo magnético externoCorrente elétrica superficialCampo magnético gerado pelas correntes superficiais

BA

Diamagnetismo perfeito

Expulsão do campo magnético

Luis Ghivelder

Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética

Luis Ghivelder

Supercondutores tipo II VÓRTICES

Campo magnético penetra

somentenuma pequena profundidade λL

Campo magnético penetra

em “tubos” de diâmetro λL formando regiões normais dentro do

material

T > TC tipo I tipo II

Luis Ghivelder

Supercondutores tipo II VÓRTICES

Supercondutor tipo II

Vórtices

Corrente

0.1 micron = 1 x 10-4 mm

Luis Ghivelder

Limitador para aplicações práticas

CORRENTE CRÍTICA

Para uma dada temperatura T, a amostra só é supercondutora abaixo de um campo crítico Hc

Luis Ghivelder

O que torna os materiais supercondutores ???

Teoria BCS - 1957

Bardeen, Cooper, e Schrieffer

Interação dos elétrons com a rede forma pares de elétrons,

que atravessam o material livremente

Luis Ghivelder

A grande descoberta de 1986

Supercondutividade de Alta Temperatura

Bednorz e Müller

LaBaCuO 40 K / -233 ºCO primeiro:

HgTlBaCaCuO 138 K / -135 ºCO recorde:

YBaCuO 92 K / -181 ºC

O mais estudado:

Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras

Luis Ghivelder

Materiais Supercondutores

1910 1930 1950 1970 1990

20

40

60

80

100

120

140

160

Tem

per

atu

ra d

e tr

ansi

ção

su

per

con

du

tora

(K

)

HgPb NbNbCNbC NbNNbN

V3SiV3Si

Nb3SnNb3Sn Nb3GeNb3Ge(LaBa)CuO(LaBa)CuO

YBa2Cu3O7YBa2Cu3O7

BiCaSrCuOBiCaSrCuO

TlBaCaCuOTlBaCaCuO

HgBa2Ca2Cu3O9HgBa2Ca2Cu3O9

HgBa2Ca2Cu3O9

(sob pressão)

HgBa2Ca2Cu3O9

(sob pressão)

Temperatura do Nitrogênio Líquido

(77K)

Luis Ghivelder

A supercondutividade ocorre em planos de CuO2

YBa2Cu3O7-

Vórtices em panquecas

Estrutura cristalina determinada

através de difração de raios-x

Luis Ghivelder

Novos materiais supercondutores vem sendo descobertos

periodicamente

1987 YBaCuO (HTSC)

2008 BaKFeAs (pinictideos)

1999 MgB2

Muitas questões em aberto:Mecanismos resposnsaveis pela supercondutividade

Aplicações

Luis Ghivelder

Aplicações práticas de supercondutividade

Geração de campos magnéticos

Fonte de potência

Luis Ghivelder

Fontes de campos magnéticos

Solenóide

Espira

Fio retilíneo

Imã

A Terra

Luis Ghivelder

Fios supercondutores

Nb3Sn

NbTi

BiSrCaCuO-Ag

MgB2

Luis Ghivelder

Construindo solenóides supercondutores (I)

Aplicações na física da matéria condensada - materiaisLuis Ghivelder

Os solenóides supercondutores são colocados em criostatos, para realização de experimentos combinando

baixas temperaturas e altos campos magnéticos

Estudo do comportamento de materiais em condições extremas

“Quench” do magneto supercondutor

Luis Ghivelder

Construindo solenóides supercondutores (II)

Aplicações na física nuclear de altas energiasLuis Ghivelder

Construindo solenóides supercondutores (III)

Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnéticaLuis Ghivelder

Corpo humano3 x 10-10 T / 3 x 10-6 Oe

0.3 T/ 3000 Oe

Imã de geladeiraAuto-falante

Vamos entender a magnitude de alguns campos magnéticos

Terra3 x 10 -5 T / 0.3 Oe

Luis Ghivelder

Solenóide supercondutor

5 a 20 T / 50 a 200 kOe

Solenóide convencional (eletroimã)0.5 a 2 T / 50 a 200 kOe

Luis Ghivelder

Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (i)

Máximo campo contínuo: combinando solenóides supercondutor e convencional –

H = 45 T

NHMFL – FLORIDA, USA: supercondutor 11.5T, resistivo 33.5T

consumo 36MW, energia armazenada – 100MJ Luis Ghivelder

Campos magnéticos pulsados, até H = 300 T

Banco de CapacitoresLNCMP – Toulosse, França

Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (ii)

Luis Ghivelder

Magnetos destrutivos, até H = 1000 T em alguns microsegundos

Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (iii)

Porque realizar esses estudos ???Aplicações ou ciência básica ??

Luis Ghivelder

Não leve essa aula muito a sério... apenas relaxe e desfrute.

Vou contar para você como a natureza se comporta. Se você simplesmente admitir que ela se comporta dessa

forma, você a encontrara encantadora e cativante.

Mas não fique perguntando para si próprio: “mas como ela pode ser assim?” porque nesse caso você entrará em um

beco sem saída do qual ninguém nunca escapou.

Ninguém sabe porque a natureza é assim.

Richard Feynman Prêmio Nobel de Física em 1965pela descoberta da eletrodinâmica quântica

Luis Ghivelder

Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento

de levitação de um imã sobre um material supercondutor

Fim…

Luis Ghivelder