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Supercondutores

Física

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Supercondutores são materiais capazes de conduzir a eletricidade, sem oferecer qualquer tipo de resistência, assim que atingem uma temperatura muito baixa, conhecida como temperatura crítica. Além disso, fazem com que as linhas de campo magnético não sejam capazes de penetrá-lo, dessa forma, os supercondutores podem ser usados para promover a levitação magnética.

Veja também: Condutores e isolantes – entenda as diferenças e as características de cada um

Como funcionam os supercondutores

O fenômeno da supercondutividade só pode ser explicado pela física quântica. Esse fenômeno é caracterizado pelo efeito Meissner, que faz com que as linhas de campo magnético não sejam capazes de penetrar nos materiais supercondutores, caso esses materiais se encontrem refrigerados a temperaturas menores que suas temperaturas críticas.

Os primeiros supercondutores que surgiram precisavam ser refrigerados em temperaturas extremamente baixas. Entretanto, a pesquisa com novos materiais permitiu que eles fossem desenvolvidos e capazes de apresentar supercondutividade em temperaturas mais elevadas. Recentemente, estudos mostraram que alguns materiais podem se tornar supercondutores em temperaturas muito próximas da ambiente, no entanto, para que isso ocorra, precisam estar sujeitos a pressões muito altas.

Qual é a relação entre a supercondutividade e a temperatura? Apesar de a resposta não ser tão simples quanto a pergunta, vamos tentar compreendê-la: os metais em geral são bons condutores de eletricidade, como o cobre, a prata e o ouro. Tal capacidade está relacionada à sua medida da resistividade, que é extremamente baixa.

A baixa resistividade dos metais, por sua vez, está relacionada com a grande quantidade de elétrons livres, com a ausência de impurezas (nesse contexto, impurezas são átomos de outros elementos no interior do condutor) e com a ordem da estrutura cristalina, ou seja, a forma como os átomos encontram-se posicionados uns em relação aos outros.

Se aquecidos, os metais passam a não ser tão bons em conduzir a corrente elétrica, em virtude do aumento da vibração de seus átomos — a oscilação desses átomos faz com que ocorram mais colisões com os elétrons da corrente elétrica, dificultando sua condução. No entanto, se refrigerados, os metais passam a conduzir ainda mais facilmente do que à temperatura ambiente, e, se extrapolarmos esse resfriamento, chegaremos a um ponto em que não haverá resistência à passagem da eletricidade.

O raciocínio relacionado ao resfriamento de metais e o aumento da condutividade foram investigados pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), por meio do resfriamento de uma amostra de mercúrio a uma temperatura de -269 ºC. Na ocasião, Onnes percebeu que a resistividade do mercúrio repentinamente tornava-se nula quando atingia essa temperatura.

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Cerca de 20 anos mais tarde, os físicos alemães Karl Meissner e Robert Ochsenfeld descobriram que os supercondutores interrompiam a passagem das linhas de campo magnético em seu interior.

Em seus experimentos, descobriram que, quando um supercondutor é exposto a um campo magnético externo, correntes elétricas são formadas em seu exterior, fazendo com que surja sobre a superfície do supercondutor um campo magnético que se opõe ao campo magnético externo. É por meio desse fenômeno, atualmente chamado de efeito Meissner, que é possível fazer trens levitarem, como é o caso do maglev:

Os trens maglev conseguem desenvolver velocidades de até 600 km/h sem tocar no chão.
Os trens maglev conseguem desenvolver velocidades de até 600 km/h sem tocar no chão.

Tipos de supercondutores e seus materiais

Os supercondutores são uma classe de materiais que apresentam uma mudança de estado que faz com que eles transfiram cargas elétricas sem qualquer oposição. Sendo assim, não é possível dizer do que os supercondutores são feitos, mas sim dos diferentes materiais usados para fabricá-los. Assim, existem supercondutores:

  • feitos de elementos químicos puros, como o mercúrio, o chumbo e o carbono;

  • orgânicos, como fulerenos, nanotubos de carbono, grafeno;

  • cerâmicos;

  • feitos de diferentes ligas metálicas, como niónio-titânio, germânio-nióbio.

Veja também: Circuitos elétricos – como funcionam, elementos, ligações elétricas etc.

Aplicações tecnológicas de supercondutores

Os supercondutores podem ter utilidade em qualquer tipo de circuito elétrico, de modo a torná-lo mais eficiente, entretanto, enquanto não temos um condutor à temperatura ambiente, atualmente os principais usos são estes:

  • Trens maglev – Esse tipo de trem utiliza o efeito Meissner presente nos supercondutores para flutuar, assim, ele desenvolve alta velocidade e torna-se mais eficiente que o trem convencional.

  • Aparelhos de ressonância magnética nuclear – No interior desses aparelhos, há bobinas feitas de ligas metálicas que, quando refrigeradas, tornam-se supercondutoras, sendo capazes de produzir campos magnéticos de alta intensidade.

  • Produção de energia elétrica – Em hidrelétricas, termoelétricas, usinas nucleares ou até mesmo em usinas eólicas, há necessidade de converter energia mecânica em elétrica, por isso, utiliza-se um gerador, cujas espiras são feitas de ligas metálicas supercondutoras quando devidamente resfriadas.

 

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Supercondutores"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/os-supercondutores.htm. Acesso em 17 de abril de 2021.

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