Propriedade Elétrica e Magnética
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Supercondutividade
Propriedade Elétrica e
Magnética
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A descoberta da supercondutividade 1911
Kammerlingh Onnes
(1853 – 1926)
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Superconductividade como Propriedade Elétrica
• Tc = temperatura crítica
• T < Tc – estado supercondutor
Resistividade
elétrica nula
Resis
tivid
ade E
létr
ica ()
Temperatura (K)
Supercondutor
Metal normal
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Superconductividade como Propriedade Magnética
Efeito Meissner
=
Diamagnetismo
Perfeito
Supercondutor expele o campo magnético do seu interior
normal superconductorEstado
normalEstado
supercondutor
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Chapter 20 -
• A magnetização em supercondutores não
ocorre devido a momentos magnéticos
dos elétrons!!!!!
• A magnetização é devido à corrente
superficial que é induzida na superfície do
material e que não deixa o campo
penetrar.
• A resistência nula permite que estes
valores de corrente sejam extremamente
altos.
5
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Chapter 20 -
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
Interação via fonon
Par de Cooper
de elétrons 100 nm
Espaçamento
da rede
0,1-0,4 nm
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Chapter 20 -
BCS prevê Tc 30-40KPara 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
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Chapter 20 -
Comportamento - Tipos de Supercondutores
Tipo IM = - H para H < Hc
M = 0 para H > Hc
Tipo IIM = - H para H < Hc1
M = M(H) para Hc1 < H < Hc2
M = 0 para H > Hc2
Estado Misto
Estado Meissner
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Chapter 20 -
Estado Misto
2c1c HHH
Importante para densidade de corrente crítica Jc
H
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Chapter 20 -10
Supercondutores tipo II VÓRTICES
0.1 micron = 1 x 10-4 mm =
100 nm
Supercondutor tipo II
Vórtices
Corrente Microscopia magneto-optica
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Chapter 20 -
Como seria a curva
M x H?
11
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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
Densidade de corrente J
Temperatura T Campo
Magnético
H
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Chapter 20 -
Materiais Supercondutores
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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)
FeTc=1K
(p=20GPa)
Bons condutores não são supercondutores
Nb(Nióbio)
Tc= 9KTc mais alto Supercondutor sob pressão
Fe
Os elementos supercondutores
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Chapter 20 -
Alguns elementos supercondutores –Tipo I
Elemento Tc (K) Hc em Oe @ 0 K
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Chapter 20 -16
Alguns compostos/ligassupercondutores (as) – Tipo II
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors
Década de 1960
2001
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Chapter 20 -17
2
1)0(c
ccT
THH
Dependência de Hc / Hc2 com a temperatura
2
c
2c2cT
T1)0(HH
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Chapter 20 -
NbTi e Nb3Sn ~ 1960Os supercondutores mais usados
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
1 T = 104 G
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Chapter 20 -
Nb3Sn (Oxford)
19
Magneto de acelerador de dipolo até 16 T.
Magneto persistente de campo 22,3 T (950 MHz) para
NMR.
Fio de barreira (de difusão) distribuída
Barreira de Ta
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Chapter 20 -
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 – descobertos em 1986Supercondutores de Alta Temperatura Crítica
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Chapter 20 -
Estruturas
21
La2CuO4
YBaCuO
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Chapter 20 -
MgB2 – descoberto em 2001
Bc2fio 16 T
Nanotechnology and Nanomaterials » "Electronic Properties of Carbon Nanotubes", book edited by Jose
Mauricio Marulanda, ISBN 978-953-307-499-3, Published: July 27, 2011 under CC BY-NC-SA 3.0
license
Tc= 39 K
Nagamatsu J, et al., Nature 410 63
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Chapter 20 -
Oxi-Pinictídeo – descoberto em 2008Supercondutores 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
pnictogen = nitrogen family N, P, As, Sb, Bi
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Chapter 20 -
Estruturas Cristalinas
Oxi-Pinictídeo
24
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Chapter 20 -
Evolução de Tc
1910 1930 1950 1970 1990
20
40
60
80
100
120
140
160
Tem
pera
tura
de t
ran
siç
ão
su
perc
on
du
tora
(K
)
HgPb NbNbC NbN
V3Si
Nb3Sn Nb3Ge
(LaBa)CuO
YBa2Cu3O7
BiCaSrCuO
TlBaCaCuO
HgBa2Ca2Cu3O9
HgBa2Ca2Cu3O9
(sob pressão)
Temperatura do
Nitrogênio Líquido
(77K)
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Chapter 20 -
Evolução de Jc - sem cobre
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Chapter 20 -
Aplicações usando Supercondutores
Slides de Randolph Miller
Google: superconductors final 23May2011
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Chapter 20 -
Levitação
• Um ímã pode levitar, acima, abaixo, ou para o lado de
um supercondutor
(Saito 3)
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Chapter 20 -
Maglevs
•Maglevs são trens levitados magneticamente.
•Na figura é mostrado um Maglev MLX01, um trem de teste capaz
de atingir a velocidade de 581 km/h.
http://www.n-sharyo.co.jp/business/tetsudo_e/pages/maglev.htm
TGV: 320 km/h
(max 574.8 km/h)
http://www.istec.or.jp/istec-animation/SF-train-
2012.html
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Chapter 20 -
Maglevs
http://www.dvorak.org/blog/2007/06/01/superconducting-mystery-solved/
É mostrado um veículo de levitação magnética no final de um
trilho. Observe os eletroímas visíveis debaixo de cada lado do trilho.
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Chapter 20 -
SQUIDSQUID = “Superconducting Quantum Interference Device”
• SQUIDs baseiam-se no princípio de que os supercondutores
deixam o campo magnético penetrar apenas em determinadas
quantidades
• Detector extremamente sensível de campos magnéticos
http://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=8&secNum=5
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Chapter 20 -
MEG - MagnetoEncefaloGrafia
http://www.lanl.gov/quarterly/q_spring03/meg_helmet_m
easurements.shtml
http://www.hbci.com/~wenonah/hudson/in
dex.html
Muitos SQUIDs (122 no exemplo mostrado)
são utilizados para medir a atividade cerebral
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Chapter 20 -
MEG
http://www.unitn.it/en/cimec/10906/m
agnetoencephalography-labhttp://www.kumc.edu/hoglund/posters/brooks.htm
l
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetoencephalography
São necessários 50.000
neurônios disparando para se ter
um sinal detectável.
Corrente
elétrica
Campo
magnético Corrente
Intracelular
(dendrita)
Modelo de campo
magnético
Fonte de campo
Imagens de localização
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Chapter 20 -
MRI - Magnetic Resonance Imaging
MRI é o maior mercado para
supercondutores
Bobina de
radio
frequência
http://www.fightmesotheliomacancer.com/mri.html
http://www.conectus.org/technology.html
Corte do MRI
Mesa do
paciente
Paciente
MagnetoMagneto
Bobinas de
gradiente
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Chapter 20 -
Large Hadron ColliderMagnetos são usados para direcionar os feixes ao redor do
acelerador.
- 1.232 magnetos bipolares de 15 metros de comprimento que
dobram o feixe;
- 392 magnetos quadrupolares de 5-7 metros de comprimento
cada um, que se encarregam de concentrar (colimar) o feixe.
- Pouco antes da colisão, um outro tipo de ímã é usado para
"espremer" as partículas (mais juntas) e assim aumentar as
chances de colisões.
As partículas são tão pequenas que a tarefa de fazê-los
colidir é semelhante a disparar duas agulhas distantes de 10 km
com tal precisão que elas se encontrem no meio do caminho.
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Chapter 20 -
LHC: Acelerador de partículas
O LHC tem um tubo de 27 km de circunferência, com ímãs
supercondutores distribuídos de diversas maneiras, com o objetivo
de acelerar partículas carregadas a velocidades relativisticas.
1200 toneladas de cabos supercondutores de NbTi que trabalham
a 1.9 K para criar campos de até 8.3 T.
http://home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider
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Chapter 20 -
Detectores
•Detector ATLAS no LHC tem 8 ímãs, cada um com 100
toneladas de supercondutor
•Medidas de energia e momento de partículas carregadas
•Armazenagem de 1,6 GJ
http://cdsweb.cern.ch/record/910381
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Chapter 20 -
Motores
•Ele poderia ser usado para a propulsão de navios da Marinha.
•Faria navios da Marinha mais eficiente em consumo de combustível e
liberaria espaço valioso.
http://www.amsc.com/products/motorsgenerators/shipPropulsion.html
http://www.superconductorweek.com/free-content-photo-gallery
Motor de cobre
Motor de
superconductor
Alta temperature crítica
Motores elétricos com supercondutores
são mais eficientes, mais leves, menores
e mais silenciosos.
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Chapter 20 -
Transmissão de energia
• Os cabos supercondutores transportam 150 vezes mais eletricidade
do que cabos de cobre de mesmo tamanho.
•Eles podem transportar até 574 MW.
•Este é Holbrook, Long Island.
•Está em funcionamento desde 22 de abril de 2008.
http://www.amsc.com/products/htswire/LIPAHTSCableProjectBrief.html
http://www.superconductorweek.com/free-content-photo-gallery
YBCO
Cu
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Chapter 20 -
Confinamento de Plasma
http://blogs.knoxnews.com/munger/2010/01/fields_for_fu
sion.htmlhttp://homepages.spa.umn.edu/~llrw/a1001/toka
mak.html
•Plasma quente tem que ser contido por um campo
magnético.
•É mostrado um reator de fusão do tipo Tokamak.