O que você está vendo aqui é o efeito Meissner, ou a expulsão de um campo magnético de um supercondutor durante a transição para seu estado supercondutor. Imagem cortesia do Argonne National Laboratory Uma das regras não escritas da física diz que você não pode conseguir algo de graça; no melhor, você pode administrar uma taxa de câmbio justa entre quanta energia você injeta em um sistema e quanto extrai dele.
Considere seu carro:em média, apenas 12,6% da energia química que você injeta a mais de US $ 3,50 (ou o que quer que você pague) por galão se traduz em movimento. O resto vai para superar o arrasto, inércia e outras ineficiências mecânicas, com impressionantes 62,4 por cento consumidos pelo atrito do motor, bombas de ar e calor residual [fonte:California Energy Commission].
O calor surge em todos os tipos de sistemas. Como um defraudador de energia, ele sai do topo das reações químicas, sistemas físicos e circuitos elétricos. Seja a consequência da perda de eficiência ou sua causa, o resultado é que você está perdendo no negócio. É por causa do calor que não podemos alcançar o movimento perpétuo (ou movimento que nunca cessa).
É também a razão pela qual as usinas de energia devem aumentar a corrente para altas tensões ao transmiti-la através do país:para superar a energia perdida para resistência - contrapartida elétrica do atrito. Imagine se pudéssemos encontrar uma maneira de remover a resistência, erradicando assim a perda de energia:sem taxas de serviço, sem impostos e sem dinheiro de proteção. Energia de entrada =Energia de saída.
Digite supercondutores. Se as três leis da termodinâmica dizem que não existe almoço grátis, então os supercondutores têm seu bolo e o comem, também. Envie a corrente através de um fio supercondutor, e não perde energia para a resistência. Dobre o fio em um laço, e manterá a carga indefinidamente. Levite-o acima de um ímã, e o sol vai devorar a Terra antes que ela caia.
Logo após sua descoberta em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes e seus colaboradores, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim e Gilles Holst, a supercondutividade inspirou sonhos de transmissão elétrica sem perdas. Infelizmente, havia um problema.
Supercondutores requerem temperaturas muito baixas, na ordem de 39 kelvins (menos 234 C, menos 389 F) para supercondutores convencionais. O fio de mercúrio sólido que Kamerlingh Onnes usou exigia temperaturas abaixo de 4,2 K (menos 269,0 C, menos 452,1 F). Mesmo os chamados supercondutores de alta temperatura só funcionam sua mágica abaixo de 130 K (menos 143 C, menos 225,7 F).
Para piorar as coisas, supercondutores deixam seu estado sem resistência se forem expostos a um campo magnético muito grande - ou a muita eletricidade.
Nem tudo estava perdido, Contudo. Supercondutores modernos, como nióbio-titânio (NbTi), levantaram a barra sobre a quantidade de carga magnética que podem tolerar. Seus campos magnéticos superiores os tornam úteis em certos trens maglev, bem como em aceleradores de prótons, como o do Fermilab, ou aparelhos de ressonância magnética, sua aplicação mais comum. No futuro próximo, pesquisadores esperam usá-los em tecnologias de energia emergentes, como sistemas de armazenamento de energia ou turbinas eólicas de alta eficiência.
Antes de olharmos para as formas chocantes como os supercondutores evitam a resistência, vamos rever como funciona a resistência.
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Uma das aplicações mais legais de supercondutores tem que ser os trens maglev. Passeie em um neste vídeo de "Engenharia Extrema". Descoberta Alguns condutores são melhores do que outros; a chave é a organização. Bons condutores de trem mantêm as ferrovias funcionando na hora certa - e Arturo Toscanini manteve a Orquestra Sinfônica da NBC tocando na hora certa - juntando elementos complexos em sistemas ordenados.
Bons condutores elétricos exibem uma organização harmoniosa semelhante, mas devem enfrentar resistência. Na verdade, resistência é o que separa os condutores convencionais de seus primos superpotentes.
Pense nos elétrons livres em um condutor típico como pessoas circulando em torno de um terminal de trem. Uma corrente aplicada é como o sino que anuncia a chegada do trem:em um instante, movimentos individuais se transformam em um único, movimento unido em direção às plataformas - ou iria, se não fosse por alguns encrenqueiros que tropeçam, empurrar, hesite nas bancas ou se recuse a abrir caminho na escada rolante. Graças à resistência que oferecem, alguns viajantes perdem o trem, e a corrente perde energia. Assim é a vida no Terminal do Condutor.
Agora, substitua esses viajantes por um flash mob disfarçado. No sino, eles se associam e realizam um trabalho sincronizado, dança coreografada em todo o terminal. Ninguém perde o trem, e todos ficam menos cansados quando chegam lá. Essa é a maravilha de viajar na Estação Supercondutor.
Antes de estudarmos as etapas desta partícula pas de deux, Contudo, vamos dar um passo para trás e revisar como a resistência confunde materiais mundanos. Começaremos de maneira simples e adicionaremos complexidade à medida que avançamos.
Embora haja exceções, quando dizemos corrente elétrica , geralmente queremos dizer um fluxo de elétrons passando por um meio. O quão bem um material conduz eletricidade está relacionado com a facilidade com que seus átomos componentes doam elétrons. Isoladores são mesquinhos, enquanto os condutores passam os seus como marinheiros em licença para terra.
Os elétrons doados, agora conhecido como elétrons de condutância , não orbitam átomos individuais, mas em vez disso flutuam livremente por todo o condutor, como nossos passageiros de trem acima. Quando uma corrente é aplicada, eles fluem através do material e transmitem eletricidade.
Um condutor consiste em uma rede de átomos; para a eletricidade fluir, os elétrons devem se mover através dessa rede com o mínimo de interferência possível. Como um monte de bolas de tênis atiradas em um trepa-trepa, as chances são boas de que alguns elétrons atinjam a rede. As chances de interferência aumentam se as áreas ficarem deformadas. Assim, é fácil ver como as falhas do material constituem uma das causas da resistência dos condutores.
Nesta analogia do trepa-trepa, os átomos são representados pelas interseções de hastes de metal. Na atualidade, a estrutura de um condutor não é rígida; seus átomos vibram, e as interações que os conectam oscilam, então é melhor pensar nisso como uma grade de molas. O que faz esses átomos vibrarem? Quanto mais alta a temperatura, quanto mais a rede vibra, e é mais provável que nossas bolas de tênis sofram interferência. Considere a segunda maior fonte de resistência ao nosso velho amigo, aquecer.
Isso levanta a questão:se o problema é o calor, não pode ser fria a resposta? Apenas relaxe por um segundo:veremos isso na próxima seção.
Se o calor aumenta a resistência, em seguida, desligar o termostato deve diminuí-lo, direito? Nós vamos, faz, dentro dos limites. Em condutores normais, a resistência cai conforme o termômetro cai, mas nunca desaparece. Os supercondutores funcionam de maneira um pouco diferente.
À medida que um supercondutor esfria, segue uma curva semelhante de resistência diminuindo gradualmente até atingir seu temperatura critica ; então, abruptamente, toda resistência desaparece. É como se a resistência estivesse perdendo lentamente um cabo de guerra com condutância e então, frustrado, solte a corda. Na realidade, a substância sofre um transição de fase . Como gelo derretendo em água, o material convencional assume um novo estado, um com resistência zero.
Para entender o que está acontecendo aqui, precisamos fazer algumas modificações em nosso trepa-trepa atômico. Especificamente, precisamos começar a levar em conta o magnetismo.
Quando os átomos em um condutor perdem elétrons, eles se tornam íons carregados positivamente, causando uma atração líquida entre a rede atômica e os elétrons carregados negativamente que passam por ela. Em outras palavras, como se vibrações e deformações não fossem ruins o suficiente, as bolas de tênis que estamos jogando em nosso trepa-trepa oscilante são ímãs. Você pode supor que isso aumentaria suas chances de encontrar resistência ao passar por nossa grade instável, e você estaria certo - para condutores normais. Supercondutores, Contudo, use-o a seu favor.
Imagine um par de bolas de tênis lançadas na grade, um quente na cauda do outro. Quando a primeira bola passa pela rede carregada positivamente, atrai os átomos circundantes em sua direção. Ao agrupar, esses átomos criam uma área local de maior carga positiva, o que aumenta a força que puxa o segundo elétron para frente. Consequentemente, a energia gasta para passar, na média, empata.
Como dançarinas quadradas, esses Pares de Cooper formar e quebrar constantemente, mas o efeito geral se perpetua ao longo da linha, permitindo que os elétrons passem pelo supercondutor como um relâmpago lubrificado.
Os pares de Cooper são nomeados em homenagem ao físico Leon N. C ooper quem, com John B ardeen e John Robert S chrieffer, avançou o primeiro modelo bem-sucedido que explica a supercondutividade em supercondutores convencionais. Sua conquista, Conhecido como Teoria BCS em sua homenagem, lhes rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1972.
A supercondutividade se recusou a permanecer presa por muito tempo, Contudo; logo depois que a Teoria BCS ganhou força no campo, pesquisadores começaram a descobrir outros supercondutores - como óxidos de cobre supercondutores de alta temperatura - que quebraram o modelo BCS.
Na próxima seção, veremos o que diferencia esses supercondutores exóticos dos demais.
Onda PermanenteA mecânica quântica nos diz que os elétrons exibem propriedades tanto de partícula quanto de onda. Assim, para conceituar resistência e supercondutividade, você deve imaginar os elétrons como ondas que se propagam através de um material, como ondulações em um lago. A resistência causada pelas vibrações de íons excitados é semelhante a pedras jogadas naquele lago, criando contra-ondas que interferem ou cancelam a onda de elétrons. A diferença entre condutores normais e supercondutores está no grau de organização envolvido. Em supercondutores, todos os elétrons assumem uma velocidade e direção quase idênticas, formando um único, onda organizada que resiste à ruptura.
Dependendo de como você corta a torta, existem muitos tipos de supercondutores ou apenas dois. Da perspectiva de como eles se comportam em campos magnéticos, Contudo, os cientistas costumam classificá-los em dois grupos.
UMA Supercondutor tipo I geralmente é feito de metal puro. Quando resfriado abaixo de sua temperatura crítica, tal material exibe resistividade elétrica zero e exibe perfeita diamagnetismo , o que significa que os campos magnéticos não podem penetrá-lo enquanto ele estiver no estado supercondutor.
Supercondutores tipo II são geralmente ligas, e seu diamagnetismo é mais complexo. Para entender por que, precisamos ver como os supercondutores respondem ao magnetismo.
Assim como todo supercondutor tem uma temperatura crítica que faz ou quebra seu estado supercondutor, cada um também está sujeito a um campo magnético crítico . Um supercondutor Tipo I entra e sai do estado supercondutor em um desses limites, mas um material do Tipo II muda de estado duas vezes, em dois limites de campo magnético diferentes.
A distinção entre os materiais do Tipo I e do Tipo II se assemelha à diferença entre gelo seco (dióxido de carbono sólido) e gelo de água. Ambos os sólidos esfriam bem, mas eles lidam com o calor de forma diferente:o gelo de água derrete em um estado misto, água gelada, enquanto gelo seco sublima :Na pressão normal, ele faz a transição diretamente do sólido para o gasoso.
Com relação ao magnetismo, um supercondutor Tipo I é como gelo seco:quando exposto ao seu campo crítico, sua supercondutividade é queimada instantaneamente. Um Tipo II é mais versátil.
Enquanto em um campo fraco, um material Tipo II exibe um comportamento semelhante a um Tipo I, assim como H 2 O e CO 2 ambos esfriam efetivamente enquanto estão em seus estados sólidos. Eleve o campo magnético acima de um certo limite, Contudo, e o material se reorganiza em um estado misto - um estado de vórtice em que pequenos redemoinhos de corrente supercondutora fluem ao redor de ilhas de material normal. Como água gelada, ele ainda faz seu trabalho muito bem. Se a intensidade do campo magnético aumentar, Contudo, as ilhas da normalidade crescem juntas, destruindo assim os redemoinhos de supercondutividade circundantes.
O que esse estado misto significa para o magnetismo? Discutimos o que acontece quando um supercondutor esquenta. Agora, vamos olhar de outra direção.
Em seu normal, estados quentes, ambos os materiais Tipo I e Tipo II permitem que campos magnéticos fluam através deles, mas à medida que esfriam em direção às temperaturas críticas, eles expulsam cada vez mais esses campos; elétrons no material criam correntes parasitas que produzem um contra-campo, um fenômeno conhecido como o Efeito Meissner .
Quando eles atingem sua temperatura crítica, Supercondutores tipo I expulsam qualquer campo magnético remanescente como tantos companheiros de quarto caloteiros. Dependendo da intensidade do campo magnético em que existem, Os campos do tipo II podem fazer o mesmo - ou podem ficar um pouco pegajosos. Se eles estão em um estado de vórtice , o campo magnético que ainda flui através das ilhas de material normal em seus fluxos supercondutores pode ficar preso, um fenômeno conhecido como fixação de fluxo (veja a barra lateral) O fluxo magnético é uma medida da quantidade de campo magnético que passa por uma determinada superfície.
Porque eles podem permanecer supercondutores neste campo magnético mais forte, Materiais do tipo II como nióbio-titânio (NbTi) são bons candidatos para o tipo de ímãs supercondutores encontrados em, dizer, Acelerador de prótons do Fermilab ou em aparelhos de ressonância magnética.
Quando os sapos voamEm 2000, Andre Geim e Sir Michael Berry ganharam o Prêmio Ig Nobel de Física ao levitar um sapo, bem como água e avelãs, usando um supercondutor e diamagnetismo. Embora tenhamos a tendência de pensar na água e no tecido orgânico como não magnéticos, alguns elementos e a maioria dos compostos exibem um efeito repulsivo muito fraco quando colocados em um campo magnético forte. Os físicos também usam o diamagnetismo para levitar supercondutores de maneira estável. O truque está nos supercondutores do Tipo II, como óxido de ítrio, bário e cobre, que permitem algum campo magnético passar e fixá-lo no lugar. O vídeo de "levitação quântica" que se tornou viral na web em 2011 exemplificou esse tipo de levitação, em que o magnetismo e o diamagnetismo se combinam para manter o levitador perfeitamente imóvel, ao contrário dos materiais Tipo I, que levitam de forma constante, mas balançam, ou ferromagnetos, que não pode levitar de forma estável sem ajuda externa.
As aplicações industriais e científicas de supercondutores são limitadas pelas condições especiais de temperatura que eles requerem para trabalhar seu mojo eletromagnético, portanto, faz sentido classificar os materiais com base em suas temperaturas críticas e requisitos de pressão.
Centenas de substâncias, incluindo 27 elementos metálicos - como alumínio, liderar, mercúrio e estanho - tornam-se supercondutores em baixas temperaturas e pressões. Outros 11 elementos químicos - incluindo selênio, silício e urânio - transição para um estado supercondutor em baixas temperaturas e altas pressões [fonte:Encyclopaedia Britannica].
Até 1986, quando os pesquisadores da IBM Karl Alexander Mulller e Johannes Georg Bednorz inauguraram a era de supercondutores de alta temperatura com um óxido de bário-lantânio-cobre que atingiu resistência zero a 35 K (menos 238 C, menos 397 F), a temperatura crítica mais alta alcançada por um supercondutor medido 23 K (menos 250 C, menos 418 F). Tal supercondutores de baixa temperatura resfriamento necessário por hélio líquido, que era difícil de produzir e tendia a quebrar os orçamentos [fonte:Haldar e Abetti]. Supercondutores de alta temperatura trazem a faixa de temperatura até cerca de 130 K (menos 143 C, menos 226 F), o que significa que eles podem ser resfriados com nitrogênio líquido feito de ar barato [fonte:Mehta].
Embora os físicos entendam os mecanismos que governam os supercondutores de baixa temperatura, que seguem o modelo BCS, supercondutores de alta temperatura permanecem enigmáticos [fonte:CERN]. O Santo Graal seria conseguir um material com resistência zero à temperatura ambiente, mas até agora esse sonho permanece indefinido. Talvez não possa ser feito ou, possivelmente, como outras revoluções científicas, está logo além do horizonte, aguardando a inovação tecnológica ou teórica necessária para tornar o sonho uma realidade.
Enquanto isso, as vantagens poderosas que os supercondutores oferecem sugerem uma ampla gama de aplicações presentes e futuras nas áreas de energia elétrica, transporte, imagens e diagnósticos médicos, ressonância magnética nuclear (NMR), processamento industrial, física de alta energia, comunicações sem fio, instrumentação, sensores, radar, computação de ponta e até criogenia [fonte:CCAS].
Além do maglev, Aplicações de ressonância magnética e acelerador de partículas que mencionamos anteriormente, supercondutores são atualmente usados comercialmente em espectroscopia de NMR, uma ferramenta chave para a biotecnologia, genômica, pesquisa farmacêutica e trabalho de ciência de materiais. A indústria também os aplica em um processo magnético de separação da argila de caulim, um enchimento comum em papel e produtos cerâmicos.
Quanto ao futuro, se os pesquisadores e fabricantes puderem superar as limitações de custo dos supercondutores, refrigeração, confiabilidade e aceitação, o céu é o limite. Alguns veem tecnologias verdes, como moinhos de vento, como a próxima etapa em uma aceitação e aplicação mais ampla da tecnologia, mas possibilidades maiores se aproximam.
Quem sabe? Talvez um futuro leitor examine este mesmo artigo em um computador equipado com processadores próximos à velocidade da luz, ligado a uma rede alimentada por reatores de fusão - tudo graças à supercondutividade.
Vive La DifférenceOs supercondutores apresentam resistividade mais do que zero; eles também oferecem densidade de transporte de corrente extremamente alta, resistência excepcionalmente baixa em altas frequências, dispersão de sinal muito baixa e alta sensibilidade de campo magnético. Eles excluem campos magnéticos aplicados externamente, exibem comportamentos quânticos incomuns e são capazes de transmissão de sinal próximo à velocidade da luz. Esta combinação de fatores reescreve efetivamente as regras para as indústrias eletromagnéticas e sugere inúmeras inovações possíveis, incluindo melhor transmissão de energia elétrica, geração e armazenamento; menor, ímãs mais poderosos para motores; equipamentos médicos de ponta; componentes de microondas aprimorados para comunicações e aplicações militares; sensores amplamente aumentados; e usando campos magnéticos para conter partículas carregadas.
