Supercondutividade

Os condutores perdem toda a sua resistência elétrica quando resfriados a temperaturas extremamente baixas (próximo ao zero absoluto, cerca de -273 ° Celsius). Deve ser entendido que a supercondutividade não é meramente uma extrapolação da tendência da maioria dos condutores de perder gradualmente a resistência com a diminuição da temperatura; em vez disso, é um salto quântico repentino na resistividade do finito para o nada. Um material supercondutor tem resistência elétrica absolutamente zero, não apenas uma pequena quantidade .

A supercondutividade foi descoberta pela primeira vez por H. Kamerlingh Onnes na Universidade de Leiden, Holanda, em 1911. Apenas três anos antes, em 1908, Onnes desenvolveu um método de liquefazer o gás hélio, que fornecia um meio para super-resfriar objetos experimentais para apenas alguns graus acima do zero absoluto. Decidindo investigar as mudanças na resistência elétrica do mercúrio quando resfriado a esta baixa temperatura, ele descobriu que sua resistência caiu para nada logo abaixo do ponto de ebulição do hélio.

Existe algum debate sobre exatamente como e por que os materiais supercondutores supercondutores. Uma teoria afirma que os elétrons se agrupam e viajam em pares (chamados de pares de Cooper ) dentro de um supercondutor em vez de viajar de forma independente, e isso tem algo a ver com seu fluxo sem atrito. Curiosamente, outro fenômeno de temperaturas superfrias, superfluidez , acontece com certos líquidos (especialmente o hélio líquido), resultando em um fluxo de moléculas sem atrito.

A supercondutividade promete recursos extraordinários para circuitos elétricos. Se a resistência do condutor pudesse ser totalmente eliminada, não haveria perdas de energia ou ineficiências nos sistemas de energia elétrica devido a resistências parasitas. Os motores elétricos poderiam ser tornados quase perfeitamente (100%) eficientes. Componentes como capacitores e indutores, cujas características ideais normalmente são prejudicadas por resistências de fio inerentes, podem ser feitos ideais em um sentido prático. Já foram desenvolvidos alguns condutores, motores e capacitores supercondutores práticos, mas seu uso atualmente é limitado devido aos problemas práticos intrínsecos à manutenção de temperaturas superfrias.

A temperatura limite para um supercondutor mudar de condução normal para supercondutividade é chamada de temperatura de transição . As temperaturas de transição para supercondutores “clássicos” estão na faixa criogênica (perto do zero absoluto), mas muito progresso foi feito no desenvolvimento de supercondutores de “alta temperatura” que superconduzem em temperaturas mais quentes. Um tipo é uma mistura de cerâmica de ítrio, bário, cobre e oxigênio, que faz a transição a uma temperatura relativamente agradável de -160 ° Celsius. Idealmente, um supercondutor deve ser capaz de operar dentro da faixa de temperatura ambiente, ou pelo menos dentro da faixa de equipamentos de refrigeração de baixo custo.

As temperaturas críticas para algumas substâncias comuns são mostradas aqui nesta tabela. As temperaturas são fornecidas em kelvins, que tem o mesmo intervalo incremental de graus Celsius (um aumento ou diminuição de 1 kelvin é a mesma quantidade de mudança de temperatura que 1 ° Celsius), apenas compensadas de forma que 0 K seja zero absoluto. Dessa forma, não temos que lidar com muitos números negativos.
Material Elemento / Liga Temperatura crítica. (K) AluminiumElement1.20CadmiumElement0.56LeadElement7.2MercuryElement4.16NiobiumElement8.70ThoriumElement1.37TinElement3.72TitaniumElement0.39UraniumElement1.0ZincElement0.91Niobium / TinAlloy18.1Cupric sulfide1.6
Os materiais supercondutores também interagem de maneiras interessantes com os campos magnéticos. Enquanto no estado supercondutor, um material supercondutor tende a excluir todos os campos magnéticos, um fenômeno conhecido como efeito Meissner . No entanto, se a intensidade do campo magnético se intensificar além de um nível crítico, o material supercondutor se tornará não supercondutor. Em outras palavras, os materiais supercondutores perderão sua supercondutividade (não importa o quão frio você os torne) se expostos a um campo magnético muito forte. Na verdade, a presença de qualquer O campo magnético tende a diminuir a temperatura crítica de qualquer material supercondutor:quanto mais campo magnético estiver presente, mais frio você tem que fazer o material antes que ele superconduza.

Esta é outra limitação prática para supercondutores no projeto de circuitos, uma vez que a corrente elétrica através de qualquer condutor produz um campo magnético. Mesmo que um fio supercondutor tenha resistência zero para se opor à corrente, ainda haverá um limite de quanta corrente poderia praticamente passar por aquele fio devido ao seu limite crítico de campo magnético.

Já existem algumas aplicações industriais de supercondutores, especialmente desde o recente (1987) advento da cerâmica ítrio-bário-cobre-oxigênio, que requer apenas nitrogênio líquido para esfriar, em oposição ao hélio líquido. É ainda possível solicitar kits de supercondutividade de fornecedores educacionais que podem ser operados em laboratórios de ensino médio (nitrogênio líquido não incluído). Normalmente, esses kits exibem supercondutividade pelo efeito Meissner, suspendendo um minúsculo ímã no ar sobre um disco supercondutor resfriado por um banho de nitrogênio líquido.

A resistência zero oferecida pelos circuitos supercondutores leva a consequências únicas. Em um curto-circuito supercondutor, é possível manter grandes correntes indefinidamente com tensão aplicada zero!



Foi comprovado experimentalmente que anéis de material supercondutor sustentam a corrente contínua por anos sem tensão aplicada. Até onde se sabe, não há limite de tempo teórico para o tempo que uma corrente não auxiliada poderia ser mantida em um circuito supercondutor. Se você está pensando que isso parece ser uma forma de movimento perpétuo , você está certo! Ao contrário da crença popular, não existe nenhuma lei da física que proíba o movimento perpétuo; em vez disso, a proibição se opõe a qualquer máquina ou sistema que gere mais energia do que consome (o que seria referido como uma superunidade dispositivo). Na melhor das hipóteses, todas as máquinas de movimento perpétuo (como o anel supercondutor) seriam adequadas para armazenar energia, não gerar livremente!

Os supercondutores também oferecem algumas possibilidades estranhas que nada têm a ver com a Lei de Ohm. Uma dessas possibilidades é a construção de um dispositivo denominado Josephson Junction , que atua como uma espécie de relé, controlando uma corrente com outra corrente (sem partes móveis, é claro). O tamanho pequeno e o tempo de comutação rápido de Josephson Junctions podem levar a novos projetos de circuitos de computador:uma alternativa ao uso de transistores semicondutores.

REVER:

• Supercondutores são materiais com resistência elétrica absolutamente zero.
• Todos os materiais supercondutores atualmente conhecidos precisam ser resfriados bem abaixo da temperatura ambiente para superconduzir. A temperatura máxima na qual eles fazem isso é chamada de temperatura de transição .

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de tensão, corrente e resistência
• Planilha de resistência específica de condutores