CENTRO ESTADUAL DE EDUCAO TECNOLGICA PAULA SOUZA

CENTRO ESTADUAL DE EDUCAO TECNOLGICA PAULA SOUZA

ESCOLA TCNICA ESTADUAL PHILADELPHO GOUVA NETTO

PROJETO DA DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO DO 4 MDULO DE MECATRNICA

SO JOS DO RIO PRETO

2 SEMESTRE DE 2013FILIPE COSTA ULEKAEL AUGUSTO BOTINE

MATEUS DA SILVA MARTINS

ESTUDO E PESQUISA SOBRE SUPERCONDUTORESTrabalho de Concluso de Curso apresentado Escola Tcnica Philadelpho Gouva Netto como requisito da graduao de Tcnico em Mecatrnica.SO JOS DO RIO PRETO

2 SEMESTRE DE 2013FILIPE COSTA ULEKAEL AUGUSTO BOTINE

MATEUS DA SILVA MARTINS

ESTUDO E PESQUISA SOBRE SUPERCONDUTORESTrabalho de Concluso de Curso apresentado Escola Tcnica Philadelpho Gouva Netto como requisito da graduao de Tcnico em Mecatrnica.Aprovado em __/__/____

Nelson Gonalves dos ReisProfessor Orientador Tcnico

Etec Philadelpho Gouva Netto

Jos Rubens Campos FogaaProfessor Orientador do TCC

Etec Philadelpho Gouva Netto

SO JOS DO RIO PRETO

2 SEMESTRE 2013DEDICATRIA

Dedicamos esse trabalho a nossas famlias e a todos os nossos amigos que nos apoiaram e colaboraram com essa pesquisa.

AGRADECIMENTOAgradecemos ao nosso orientador Nelson Gonalves dos Reis pela grande ajuda, tirando nossas dvidas e nos ajudando com os estudos do tema.

Ao professor orientador do TCC Professor Jos Rubens Campos Fogaa pelas orientaes e ajuda na escolha desse tema.

RESUMO

Sempre procuramos quebrar limites. Sempre procuramos quebrar barreiras. Quando percebemos que algo no do nosso jeito, lutamos para mudar e melhorar sempre. Foi assim que a supercondutividade se tornou um dos fenmenos mais importantes para os humanos e tem o potencial de mudar nossas vidas por completo. Essa pesquisa foi elaborada para descobrir uma soluo para a perda de energia em materiais, cabos, aparelhos e dispositivos e aprender novas propriedades. Sempre procuramos solues para essas perdas, e conseguimos encontrar com os supercondutores, mesmo que seja algo ainda um pouco distante. Com esses estudos, pretendemos no apenas aprender mais sobre supercondutividade, mas tambm passar informao para algum que venha a ler nossa pesquisa. Espero que todos consigam aprender um pouco mais e, sempre, procurar quebrar os nossos limites.Palavras-chave: Supercondutividade, perdas, limites, aprenderABSTRACT We always seek to break down boundaries. We always seek to break down barriers. When we realize that something isnt our way, we strive to change it and always improve. It was thou that superconductivy became one of most importante phenomenons for our the humanity and has the potential to change our lives altogheter.

This research was designed to find a solution to the energy loss in materials, cables, appliances and devices and to learn new properties. We always seek solutions to these losses, and we could find it with superconductors, even if its still something a little distance to us. With these studies, we intend to not only learn more about superconductivity, but also pass information to someone who will read our research. I hope that everyone can learn a little more, and, always, seek to break down our boundaries.

Keywords: Superconductivity, losses, boundaries, learn Sumrio

9INTRODUO

9DESENVOLVIMENTO

91-O que supercondutividade?

92-A descoberta e a histria da supercondutividade

113-A teoria BCS

114-O diamagnetismo perfeito: O efeito Meissner

135-Os tipos de supercondutores

13I.Supercondutores do tipo I Baixas temperaturas

13II.Supercondutores do tipo II Altas temperaturas

156-As Junes Josephson

167-Aplicaes de supercondutores

16I.Aplicaes em grande escala

18II.Aplicaes em pequena escala

19CONCLUSO

19REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

INTRODUOAntes de comear a explicar as propriedades supercondutoras, preciso primeiramente explicar o conceito de condutividade e resistncia eltrica. A condutividade a propriedade que certos materiais tm de transportar cargas eltricas ao longo da sua rede de tomos e, contra esse movimento tem a resistncia eltrica, que a medida de oposio de um material ao fluxo de corrente eltrica. Como j conhecido, a maior parte das propriedades fsicas variam de acordo com a temperatura e, com a condutividade e a resistncia eltrica no so diferentes. Em geral, a relao entre a temperatura e a resistncia eltrica basicamente linear para a maioria dos metais. Ento, no incio do sculo passado, j era esperado que em temperaturas prximas do zero absoluto, a resistncia eltrica poderia ser prxima de zero tambm, aparecendo o estado de supercondutividade.

DESENVOLVIMENTO

1- O que supercondutividade?A supercondutividade o estado quando um material perde a resistncia ao fluxo eltrico quando esto abaixo de uma certa temperatura. Um material supercondutor aquele que apresenta simultaneamente duas propriedades: Baixssima (Praticamente nula) resistncia passagem de corrente eltrica e o diamagnetismo perfeito.

2- A descoberta e a histria da supercondutividade

O fenmeno da supercondutividade foi descoberto por acaso em 1911, pelo fsico neerlands Heike Kamerlingh Onnes. Onnes, que j era conhecido por ser o primeiro a conseguir a liquefao do gs hlio, que acontece a 4,2 K (-268,95 C), estava em seu laboratrio de baixas temperaturas em Leiden, na Holanda, e estava pesquisando as propriedades de diversos metais em temperaturas extremamente baixas, colocando os metais em banho de hlio lquido. Algumas ideias da poca sugeriam que haveria uma queda de resistncia nos metais at chegar em zero quando a temperatura se aproximasse do zero absoluto (0 K; -273,15 C). Outra ideia era que a resistncia prxima do 0 K seria infinita, porque os eltrons que seriam responsveis pela conduo estariam congelados. Mas Onnes notou, em um desses metais, o Mercrio (que era o metal mais fcil de se obter com um alto grau de pureza), um fato inesperado: Percebeu em seus testes que a resistncia do mercrio caa inesperadamente a zero perto da temperatura de 4,2 K (-268,95 C) e, ento, a corrente era transportada sem nenhuma resistncia aparente. Onnes notou ainda que esta corrente poderia persistir por um tempo indefinido. Ele deu o nome de supercondutividade a esse fenmeno. A partir de ento, o termo supercondutores vem sendo usado para denominar todos os materiais que, abaixo de uma certa temperatura crtica, Tc, perdem a resistncia passagem de corrente eltrica, alm de apresentar outras propriedades. Dois anos aps a descoberta, em 1913, Heike Onnes ganha o prmio Nobel de Fsica. No seu discurso, Onnes ainda diz que o estado supercondutor pode ser quebrado aplicando-se um grande campo magntico.

A partir dessa descoberta, a supercondutividade foi sendo procurada em vrios materiais e, em especial, nos metais que so bons condutores de corrente eltrica. Em 1929, o recorde de temperatura crtica Tc estava com o Nibio, com 9,25 K (-263,9 C); em 1941 com a liga de Nibio-Nitrognio, com 16 K (-257,15 C); em 1953 com a liga de Vandio-Silcio, com 17,5 K (-255,65 C) e assim por diante. At em 1986, todos os supercondutores conhecidos eram metais puros, ligas metlicas, compostos intermetlicos e semicondutores dopados, e o Tc recorde estava com a liga de Nibio-Germnio, com 23,2 K (-249,95 C), quando foi descoberto os supercondutores em alta temperatura. O primeiro supercondutor em alta temperatura descoberto foi o supercondutor a base de Lantano, por Johannes Georg Bednorz e Karl Alexander Mller. Essa descoberta foi de tal importncia que mudou o rumo da supercondutividade. O fato mais marcante que a supercondutividade foi descoberta em um material considerado isolante, ou seja, que normalmente um pssimo condutor de eletricidade. De 1987 at hoje, os cientistas passaram a procurar novas cermicas supercondutoras e vrias foram encontradas, inclusive compostos que tem Tc superiores a temperatura do Nitrognio lquido (77 K; -196,15 C), como o YBa2Cu3O7, com Tc a 93 K (-180,15 C) e o composto Hg0:8Tl0:2Ba2Ca2Cu3O8:33, estabelecendo o Tc recorde com incrveis 138 K (-135,15 C) a presso ambiente. Embora o fenmeno da supercondutividade tenha sido descoberto em 1911, uma teoria que a iria explicar satisfatoriamente somente foi aparecer em 1957, com a teoria BCS.3- A Teoria BCS

A teoria que viria a explicar satisfatoriamente a supercondutividade foi introduzida e formulada pelos fsicos John Bardeen, Leon Neil Cooper, John Robert Schrieffer em 1957, e lhes rendeu o prmio Nobel de Fsica em 1972. Um dos pontos chaves na teoria criada por eles a formao de pares de eltrons, conhecidos como pares de Cooper, atravs de interaes com oscilaes na rede cristalina (fnons), com energia menor do que se fossem independentes. Essa teoria conhecida como teoria BCS, nome formado com as iniciais dos sobrenomes dos autores. Os eltrons obedecem aos princpios de excluso de Pauli, que probe que duas partculas ocupem o mesmo nvel de energia. No entanto, os pares de Cooper se comportam de maneira bastante diferente de eltrons isolados. Os pares de Cooper se condensam em um mesmo nvel de energia. Os pares de Cooper podem ser comparados com duas bolas de boliche nas bordas de um colcho dagua, como est sendo representado na figura 1 abaixo:

Figura 1 Representao da atrao entre eltrons na formao de pares de Cooper

Conforme algum empurra uma das bolas (um eltron), o colcho (representando a rede cristalina) se deforma e essa deformao atrai a segunda bola (o outro eltron).

Resumidamente, na teoria BCS, a atrao entre pares de eltrons mediada por oscilaes na rede cristalina a responsvel pela supercondutividade. Os pares de Cooper se juntam e flui sem resistncia pelo material e expeli campos magnticos externos fracos, ocasionando uma das principais propriedades dos supercondutores: O efeito Meissner.4- O diamagnetismo perfeito: O efeito Meissner

Desde a descoberta da supercondutividade at 1933, nenhum desenvolvimento significativo foi alcanado no campo da supercondutividade. Durante esse perodo, acreditava que o comportamento de um campo magntico em um condutor perfeito acontecia tambm nos supercondutores. Porm, em 1933, os alemes Karl Walther Meissner e Robert Hochsenfeld verificaram que as propriedades magnticas de um supercondutor no era igual a de um condutor perfeito. Eles descobriram que a distribuio do campo magntico no interior de um supercondutor era sempre nula, independentemente das condies iniciais, como mostrado na figura abaixo:

Figura 2 Distribuio do campo magntico no interior de um supercondutor, acima da temperatura crtica e abaixo da temperatura crtica

Esse fenmeno passou a ser chamado de efeito Meissner-Hochsenfeld, ou simplesmente efeito Meissner. A figura abaixo mostra uma das principais caractersticas do efeito Meissner, a levitao magntica:

Figura 3 Ilustrao do efeito Meissner Levitao magntica

As linhas de induo so expulsas espontaneamente do interior da amostra supercondutora, o que caracteriza um diamagnetismo perfeito. Uma vez que o material condutor se encontra abaixo da Tc, haver a expulso do campo magntico, mesmo ele tendo sido aplicado antes ou depois do resfriamento, causando assim, a levitao do m.

Aps a descoberta do efeito Meissner, ficou comprovado que as propriedades magnticas de um supercondutor no pode ser comparada com as propriedades de um condutor normal com resistividade zero. A supercondutividade passou a ser interpretada como um novo estado da matria: O estado supercondutor. Da que vem as designaes estado normal e estado supercondutor. Em um condutor perfeito, o fluxo magntico constante, enquanto que no supercondutor nulo, caracterizando o efeito Meissner. As pesquisas para aplicao do diamagnetismo perfeito de um supercondutor j se encontram em andamento.

5- Os tipos de supercondutoresOs supercondutores so classificados em dois tipos, de acordo com suas propriedades especficas: Supercondutores de tipo I e tipo II:I. Supercondutores do tipo I Baixas temperaturas

Os supercondutores de tipo I, tambm conhecidos como supercondutores macios, so formados principalmente por metais e algumas ligas metlicas e, em geral, so condutores de eletricidade temperatura ambiente. A temperatura crtica Tc deles so extremamente baixas, porque, segundo a teoria BCS, seria necessrio para diminuir as vibraes dos tomos na rede cristalina e permitir o fluxo sem dificuldade dos eltrons pelo material, causando assim a supercondutividade. Foram os primeiros tipos a serem encontrados e os cientistas verificaram que a transio para o estado supercondutor a baixa temperatura acontecia subitamente e era acompanhada do efeito Meissner. Praticamente, todos os metais so supercondutores do tipo I, a temperaturas baixssimas. Entre eles, temos: Mercrio (4,15 K; -269 C), Estanho (3,72 K; -269,43 C), Chumbo (7,2 K; -265,95 C), Alumnio (1,175 K; -271,97 C) Titnio (0,4 K; -272,75 C) Molibdnio (0,915 K; -272,23 C), Zinco (0,85 K; -272,3 C), Urnio (0,2 K; -272,95 C) Berlio (0,026 K; -273,124 C), Tungstnio (0,0154 K; -273,1343 C) e Rdio (0,000325 K; -273,149675 C).II. Supercondutores do tipo II Altas temperaturas

J os supercondutores do tipo II, tambm conhecidos como supercondutores duros, so formados por ligas metlicas, cermicas e outros compostos. As excees so os metais puros Vandio, Tecncio e o Nibio. Em geral, as temperaturas crticas associadas a eles so muito mais altas que as dos supercondutores do tipo I, como o caso das cermicas baseadas em xido de cobre. No entanto, o mecanismo atmico que leva supercondutividade neste tipo de supercondutor, at hoje, no est completamente explicado e desvendado. Um dos primeiros materiais supercondutor do tipo II descoberto foi uma liga de chumbo e bismuto, fabricada em 1935 por W. de Haas e J. Voogd. Eles perceberam que a liga apresentava caractersticas um pouco diferente dos supercondutores convencionais, do tipo I. A transio para o estado supercondutor era gradual e tinha um estado intermedirio. Alm disso, o efeito Meissner no era perfeito, permitindo a entrada de algum campo magntico, de modo contrrio dos supercondutores do tipo I. No estado intermedirio, o supercondutor do tipo II apresentava regies no estado normal, cercada por regies supercondutoras, como na figura 4 (a) abaixo. Essas regies mistas, chamadas vrtices, permitiam a penetrao de campo magntico no material, atravs dos ncleos normais. Conforme a temperatura aumenta dentro do estado intermedirio, os ncleos vo superando as regies supercondutoras, como na figura 4 (b) abaixo. Isso acontece at a perda total do estado supercondutor.

Figura 4 (a) e (b) Estrutura dos vrtices dos supercondutores tipo IITodos os supercondutores de alta temperatura pertencem ao tipo II, incluindo-se o recordista atual, que pertence a classe das cermicas baseadas em xidos de cobre (cupratos). Alguns dos supercondutores do tipo II, temos: Hg0:8Tl0:2Ba2Ca2Cu3O8:33 (138 K; -135,15 C Supercondutor recordista com maior Tc), Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (115 K; -158,15 C), Ca1-xSrxCuO2 (110 K; -163,15 C), TmBa2Cu3O7 (101 K; -172,15 C),YBa2Cu3O7+ (93 K; -180,15 C), La1:85Ba:15CuO4 (35 K; -238,15 C), MgB2 (39,2 K; -233,95 C) e os metais Nibio (9,25 K; -263,9 C), Tecncio (7,8 K; -265,35 C) e Vandio (5,4 K; -267,75 C).6- As Junes Josephson

As aplicaes mais importantes dos materiais supercondutores em termos de dispositivos esto baseadas na estrutura chamada Juno Josephson. Um exemplo de dispositivo baseado em juno (materiais sanduichados), com enorme impacto por causa das suas aplicaes o transistor. Em todos os casos, o comportamento da corrente eltrica na juno em funo da tenso aplicada depende das propriedades das partculas responsveis pela corrente, ou seja, pelos seus portadores. Nos materiais supercondutores, esses portadores so os pares de Cooper.

Em 1962, o ingls Brian David Josephson previu teoricamente que seria possvel acontecer o tunelamento (corrente atravs da juno) de pares de Cooper (portadores) entre dois supercondutores separados por uma distncia de 10 (dez ngstrons), na ausncia de uma tenso externa. A confirmao desse fato veio em 1963, por Anderson e Rowell. O dispositivo experimental no qual se formava o fenmeno formado por dois supercondutores separados por uma fina pelcula isolante que permite o acoplamento entre ambos. Esse dispositivo chamado de Juno Josephson. A figura abaixo apresenta um esquema bsico de uma Juno Josephson:

Figura 5 Representao da Juno Josephson

A pelcula que separa os supercondutores varia entre unidades a centenas de nanmetros. A principal caracterstica dessa estrutura o fato que, quando uma tenso constante VDC aplicada a uma Juno Josephson, aparece uma corrente que oscila na forma de uma frequncia.7- Aplicaes de supercondutores

As aplicaes tecnolgicas dos materiais supercondutores esto relacionadas com as suas quatro principais vantagens que eles tm sobre os condutores normais. So elas: Conduzem eletricidade sem perda de energia, permitindo criar equipamentos com rendimentos incrveis

No dissipam calor, reduzindo assim os circuitos eltricos

Tm grande capacidade de gerar campos magnticos muito intensos.

Podem ser usados para fabricar Junes Josephson, as quais so chaves supercondutoras, semelhantes a transistores, que podem comutar cem vezes mais rpidos que os mesmos.As aplicaes dos supercondutores podem ser agrupadas em dois tipos: Grande e pequena escala. Muitas dessas aplicaes esto relacionadas com equipamentos que utilizam altos valores de campo magntico:I. Aplicaes em grande escala

Transportes via MAGLEV (Magnetic Levitation): Motores eltricos supercondutores eficientes poderiam ser usados em uma nova classe de veculos e transportes terrestres e martimos, substituindo os carros, motos, trens e navios. Um grande exemplo disso o MAGLEV citado anteriormente. Este consiste em um trem, ainda em fase de desenvolvimento de prottipos, que alcana velocidades da ordem de 600km/h. Os trens MAGLEV so mais rpidos que os convencionais, porque flutuam cerca de 10 centmetros acima dos trilhos em um colcho magntico, removendo as rodas, fazendo o trem flutuar, no teria mais atrito para limitar a velocidade. Somente existiria o atrito com o ar, mas que pode ser quase todo eliminado pela aerodinmica que o trem apresenta. Gerao de energia: O uso de supercondutores pode significar uma economia grandiosa em comparao com os atuais sistemas convencionais de gerao de energia. Com os supercondutores, possvel criar campos magnticos muito mais fortes do que aqueles obtidos com os geradores convencionais, permitindo ao gerador supercondutor ser menor e produzir a mesma quantidade de energia. Outra vantagem que nos geradores supercondutores no tm resistncia eltrica associada ao fluxo de eletricidade nos enrolamentos do motor, diferentemente dos geradores convencionais. Esse aumento na eficincia poderia reduzir expressivamente os custos e diminuiria a poluio qumica e trmica. Armazenamento de energia: No existe ainda nenhum mtodo eficiente para grandes quantidades de eletricidade. Um sistema conhecido como SMES (Superconducting magnetic energy storage), que pode ser visto na figura 6 abaixo (a), formado por grandes bobinas supercondutoras subterrneas, seria capaz de armazenar grandes quantidades de eletricidade por longos perodos de tempo. O SMES seria conectado rede de energia da comunidade. Em tempos de baixa demanda, a energia seria acumulada pelo SMES, e em tempos de alta demanda, a eletricidade seria devolvida pelo mesmo, sem nenhum tipo de perda. O SMES baseado no fato de que uma corrente eltrica num supercondutor continua circulando indefinidamente. Outro sistema de armazenamento utilizando supercondutores o comumente chamado de flywheel, que pode ser visto na figura 6 abaixo (b) que consiste em um m permanente em formato cilndrico, com grande massa, girando sobre um material supercondutor. Esta bateria utiliza-se do efeito Meissner, que faz o supercondutor repelir fortemente qualquer m permanente.

Figura 6 Esquemas de tipos de baterias supercondutoras. SMES em (a) e flywheel em (b) Transmisso de energia: Para a transmisso de energia, o uso de supercondutores seria extremamente importante, j que os fios seriam consideravelmente mais finos e no teria nenhuma perda de energia, mesmo que transportasse valores altos de corrente. Tambm no seria necessrio a elevao excessiva da tenso, que tambm uma causa da perda de energia, causadas pela fuga de cargas para o ar.

II. Aplicaes em pequena escala

A maioria das aplicaes dos materiais supercondutores em pequena escala est nas reas de biomedicina, metrologia, geofsica, processamento digital e dispositivos (sensores e detectores). Entretanto, ainda no tem aplicaes significativas em dispositivos eletrnicos, sendo a principal causa disso a necessidade de operar em baixas temperaturas. Porm, j esto em desenvolvimento aplicaes de materiais supercondutores em circuitos de altssima integrao, nos quais a reduo das dimenses dos componentes limita a dissipao trmica dos mesmos, que funcionam refrigerados por nitrognio lquido.

A supercondutividade propiciar, assim, um grande passo, um grande avano tecnolgico para a indstria eletrnica. Juntando-se aos transistores e aos circuitos integrados, a supercondutividade poder afetar drasticamente o campo da eletrnica. Por outro lado, os supercondutores se mostram como materiais ideais para interconexes. O fato dos supercondutores conduzirem eletricidade sem resistncia eltrica diminuiria drasticamente a dissipao de calor dos circuitos integrados e dos transistores. Os supercondutores poderiam acrescentar outros benefcios, como a eliminao da interferncia magnticas em circuitos integrados, pela sua propriedade de expulsar campos magnticos. O uso de supercondutores como interconexes permitiria a compactao dos componentes em um grau muito maior, possibilitando um maior nmero de componentes em um nico circuito integrado, diminuindo bastante o tempo de operao. CONCLUSO

A supercondutividade nos tem permitido conhecer novos mecanismos bsicos da natureza, e assim usar suas propriedades para importantes aplicaes nos mais diversos equipamentos cientficos e tecnolgico nas mais diversas reas. Porm, h ainda muita coisa que precisa ser aperfeioada, e muita coisa que preciso aprender, principalmente em relao com novos tipos de materiais com melhores parmetros crticos. Valores maiores de temperatura crtica vai nos permitir criar novas aplicaes, tanto em grande quanto em pequena escala. O encontro de materiais supercondutores com temperaturas crticas prximas da temperatura ambiente ter um impacto gigantesco nas nossas vidas, e vai nos permitir tornar realidade aplicaes fantsticas. Na rea de eletrnica, quando for possvel obter dispositivos supercondutores operando na temperatura ambiente, certeza que uma nova revoluo tecnolgica ir acontecer. Equipamentos com capacidade e velocidade at ento inimaginveis estaro em nosso alcance. Tudo indica que, em um futuro no to distante, ns vamos obter importantes resultados nesse sentido.REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Introduo Supercondutividade, Suas Aplicaes e a Mini-Revoluo Provocada Pela Redescoberta do MgB2: Uma Abordagem Didtica BRANCIO, Paulo S.O Fascinante Mundo dos Supercondutores ARAJO-MOREIRA, F.M.Supercondutividade: um sculo de desafios e superao COSTA, Marconi B.SMateriais Supercondutores MOREIRA, AndraSupercondutividade PAIVA, Thereza C. de L.

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20032/Fabiano/supercondutores.htm - Acessado em setembro de 2013

http://www.geocities.ws/saladefisica5/leituras/supercondutores.html - Acessado em setembro de 2013http://superconductors.org/ - Acessado em setembro de 2013

http://pt.wikipedia.org/wiki/Supercondutividade - Acessado em setembro de 2013

http://pt.wikipedia.org/wiki/Resistividade - Acessado em setembro de 2013http://www.convertworld.com/pt/temperatura/ - Acessado em setembro de 2013