Post on 10-Jan-2016
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O Mundo das Baixas Temperaturas:
Supercondutividade, campos magnéticos e outras histórias
Luis Ghivelder
Laboratório de Baixas Temperaturas
Instituto de Física - UFRJ
Geladeira 5 C
Freezer - 20 C
Antártica - 89 C ( 184 K )
No espaço - 270.4 C (2.7 K)
Lua de Netuno, Triton - 235 C ( 38 K)
Nitrogênio e Metano sólidos
Radiação proveniente do Big-Bang
Gelo seco (CO2 sólido) - 78 C (195 K)
Temperatura mais fria ja registrada na terra
Usado para guardar sorvete
Antártica - 89 C ( 184 K )
No espaço - 270.4 C (2.7 K)
Lua de Netuno, Triton - 235 C ( 38 K)
Nitrogênio e Metano sólidos
Radiação proveniente do Big-Bang
Gelo seco (CO2 sólido) - 78 C (195 K)
Temperatura mais fria ja registrada na terra
Usado para guardar sorveteCosmic Background Explorer (COBE)
Lord Kelvin (1824 -1907)
O Zero Absoluto !!!
-273,2 C
Como fazer experimentosa baixas temperaturas ???
Nitrogênio líquido - 196 C ou 77 K
Hélio líquido 4.2 K ( -269 C )
Hélio líquido bombeado 1.4 K ( - 272 C )
He3 bombeado 0.3 K
Isótopo do Hélio com 2 prótons e apenas 1 nêutron
Refrigerador de Diluição
(He3/He4)
0.01 K (10 mK)
Muito baixas temperaturas
T min = 0.05 K
Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ
Derretimento do gelo (0 °C)
Derretimento do ferro
Nebulósa estelar
Explosão nuclear
Dentro do sol
Dentro de estrelas quentes espaçoHélio líquido
Nitrogênio líquido
Derretimento do gelo (0 °C)
4Hélio superfluido
Menor temperatura de elétrons em um metal
Menor temperatura do 3Hélio
Menor temperatura de núcleos em um sólido
Zero absoluto
3Hélio superfluido
T (K)
Supercondutividade
Resistência elétrica nula
A descoberta da supercondutividade
Kammerlingh Onnes (1853 – 1926)
Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores
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
Efeito Meissner (1933)
O campo magnético é nulo dentro de um supercondutor
BA
i i i
Material SupercondutorCampo magnético externoCorrente elétrica superficialCampo magnético gerado pelas correntes superficiais
BA
Diamagnetismo perfeito
Expulsão do campo magnético
Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética
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
Supercondutores tipo II VÓRTICES
Supercondutor tipo II
Vórtices
Corrente
0.1 micron = 1 x 10-4 mm
Limitador para aplicações práticas
CORRENTE CRÍTICA
Para uma dada temperatura T, a amostra só é supercondutora abaixo de um campo crítico Hc
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
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
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)
A supercondutividade ocorre em planos de CuO2
YBa2Cu3O7-
Vórtices em panquecas
Aplicações práticas de supercondutividade
Geração de campos magnéticos
Fios supercondutores
Nb3Sn
NbTi
BiSrCaCuO-Ag
MgB2
Construindo solenóides supercondutores (I)
Aplicações na física da matéria condensada - materiais
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
Construindo solenóides supercondutores (II)
Aplicações na física nuclear de altas energias
Construindo solenóides supercondutores (III)
Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnética
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
Solenóide supercondutor
5 a 20 T / 50 a 200 kOe
Solenóide convencional (eletroimã)0.5 a 2 T / 50 a 200 kOe
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
Campos magnéticos pulsados, até H = 300 T
Banco de CapacitoresLNCMP – Toulosse, França
Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (II)
Magnetos destrutivos, até H = 1000 T em alguns microsegundos
Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (III)
Porque realizar esses estudos ???Aplicações ou ciência básica ??
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
Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento
de levitação de um imã sobre um material supercondutor
Fim…