Um supercondutor é um material que atinge a supercondutividade, um Estado da matéria Não possui resistência elétrica e não permite a penetração de campos magnéticos. que corrente elétrica Em um supercondutor, pode continuar indefinidamente.
A supercondutividade só pode ser alcançada em temperaturas extremamente baixas. Os supercondutores têm uma variedade de aplicações diárias, desde Máquinas de ressonância magnética رن a trens magnéticos de alta velocidade que usam ímãs para retirar os trens dos trilhos e reduzir o atrito. Os pesquisadores agora estão tentando encontrar e desenvolver supercondutores que operem em temperaturas mais altas, o que revolucionará a transmissão e o armazenamento de energia.
Quem descobriu a supercondutividade?
A descoberta da supercondutividade é creditada a Físico holandês Heike Kamerlingh Onnes. Em 1911, Onnes estava estudando as propriedades elétricas de Mercúrio Em seu laboratório na Universidade de Leiden, na Holanda, ele descobriu que a resistência elétrica do mercúrio desapareceu completamente quando caiu temperatura para menos de 4,2 K – apenas 4,2 graus Celsius (7,56 graus Fahrenheit) acima do zero absoluto.
Para confirmar esse resultado, Onnes aplicou uma corrente elétrica a uma amostra de mercúrio super-resfriado e, em seguida, desconectou a bateria. Ele descobriu que a corrente elétrica no mercúrio continuou sem diminuir, confirmando a ausência de resistência elétrica e abrindo a porta para futuras aplicações de supercondutividade.
A história da supercondutividade
Os físicos passaram décadas tentando entender a natureza da supercondutividade e suas causas. Eles descobriram que muitos, mas não todos, os elementos e materiais se tornam supercondutores quando resfriados abaixo de uma certa temperatura crítica.
Em 1933, os físicos Walther Meissner e Robert Ochenfeld descobriram que os supercondutores “eliminam” quaisquer campos magnéticos próximos, o que significa que os campos magnéticos fracos não podem penetrar muito no supercondutor, de acordo com Super Física, um site educacional do Departamento de Física e Astronomia da Georgia State University. Esse fenômeno é denominado efeito Meissner.
Não foi até 1950 que os físicos teóricos Lev Landau e Vitaly Ginzburg publicaram uma teoria sobre como funcionam os supercondutores, de acordo com a biografia de Ginzburg em Site do Prêmio Nobel. Embora eles tivessem sucesso em prever as propriedades dos supercondutores, sua teoria era “macroscópica”, o que significa que se concentrava nos comportamentos em larga escala dos supercondutores enquanto permanecia ignorante do que estava acontecendo no nível microscópico.
Finalmente, em 1957, os físicos John Bardeen, Leon N. Cooper e Robert Shriver desenvolveram uma teoria microscópica completa da supercondutividade. Para criar uma resistência elétrica, o Elétrons No metal, ele deve estar livre para pular. Mas quando os elétrons dentro do metal ficam incrivelmente frios, eles podem se emparelhar, impedindo-os de ricochetear. Esses pares de elétrons, chamados pares de Cooper, são muito estáveis em baixas temperaturas e, sem elétrons “livres” para saltar, a resistência elétrica desaparece. Bardeen, Cooper e Shriver juntaram essas peças para formar sua teoria, conhecida como teoria BCS, que publicaram na revista mensagens de revisão física.
Como funcionam os supercondutores?
Quando o metal cai abaixo da temperatura crítica, os elétrons no metal formam ligações chamadas de pares de Cooper. Quando fechados desta forma, os elétrons não podem fornecer nenhuma resistência elétrica, e a eletricidade pode fluir através do metal completamente, de acordo com Universidade de Cambridge.
No entanto, isso só funciona em temperaturas mais baixas. Quando o metal fica muito quente, os elétrons têm energia suficiente para quebrar as ligações do par de Cooper e voltar a fornecer resistência. É por isso que Onnes, em seus experimentos originais, descobriu que o mercúrio se comportava como um supercondutor a 4,19 K, mas não a 4,2 K.
Para que são usados os supercondutores?
É muito provável que você tenha encontrado um supercondutor sem nem mesmo perceber. A fim de gerar fortes campos magnéticos usados em imagens de ressonância magnética (MRI) e imagens de ressonância magnética nuclear (NMRI), as máquinas usam eletroímãs poderosos, como mostrado em clínica Mayo. Esses poderosos eletroímãs derreterão metais comuns devido ao calor de até mesmo um pouco de resistência. No entanto, como os supercondutores não têm resistência elétrica, nenhum calor é gerado e os eletroímãs podem gerar os campos magnéticos necessários.
Eletroímãs supercondutores semelhantes são usados em trens ferromagnéticos, reatores de fusão nuclear experimentais e laboratórios de aceleradores de partículas de alta energia, e supercondutores são usados para alimentar armas e armas eletromagnéticas, estações base de celulares, circuitos digitais rápidos e detectores de partículas.
Basicamente, sempre que você precisar de um campo magnético ou corrente elétrica realmente forte e não quiser que seus dispositivos derretam no momento em que são ligados, você precisa de um supercondutor.
“Uma das aplicações mais interessantes de supercondutores é para computadores quânticos”, disse Alexei Bezradin, físico de matéria condensada da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Por causa das propriedades únicas das correntes elétricas em supercondutores, elas podem ser usadas para construir computadores quânticos.
“Esses computadores são feitos de bits quânticos, ou qubits. Qubits, ao contrário das unidades tradicionais de informação, podem existir em estados de superposição quântica de ‘0’ e ‘1’ ao mesmo tempo. Dispositivos supercondutores podem simular isso, disse Bezardin ao Live Ciência. ”Por exemplo, a corrente em um loop supercondutor pode fluir no sentido horário e anti-horário ao mesmo tempo. Esse caso é um exemplo de um qubit supercondutor. “
Quais são as pesquisas mais recentes sobre supercondutores?
Mehmet Dogan, um pesquisador de pós-doutorado na Universidade da Califórnia, Berkeley, disse que o desafio número um para os pesquisadores hoje é “desenvolver materiais que sejam supercondutores em condições ambientais, porque atualmente a supercondutividade só existe em temperaturas muito baixas ou em pressões muito altas.” O próximo desafio é desenvolver uma teoria que explique como os novos supercondutores funcionam e prediz as propriedades desses materiais, disse Duggan à Live Science por e-mail.
Os supercondutores se enquadram em duas categorias principais: supercondutores de baixa temperatura (LTS), também conhecidos como supercondutores convencionais, e supercondutores de alta temperatura (HTS), ou supercondutores não convencionais. O LTS pode ser descrito pela teoria BCS para explicar como os elétrons formam pares de Cooper, enquanto o HTS usa outros métodos microscópicos para atingir resistência zero. As origens do HTS são um dos principais problemas não resolvidos da física moderna.
A maior parte da pesquisa histórica sobre supercondutividade tem sido na direção de LTS, porque a descoberta e o estudo desses supercondutores é muito mais fácil, e quase todas as aplicações da supercondutividade envolvem LTS.
Em contraste, o HTS é um campo de pesquisa ativo e estimulante na era moderna. Qualquer coisa que atue como um supercondutor acima de 70 K é geralmente considerado HTS. Embora ainda seja muito fria, essa temperatura é desejável porque pode ser alcançada por resfriamento com nitrogênio líquido, que é mais comum e prontamente disponível do que o hélio líquido necessário para resfriar às temperaturas mais baixas exigidas pelo LTS.
O futuro dos supercondutores
O “Santo Graal” da pesquisa de supercondutores é encontrar um material que possa atuar como supercondutor em temperatura ambiente. Até agora, o Temperatura supercondutora mais alta O hidreto de enxofre de carbono altamente pressurizado, que atingiu a supercondutividade a 59 F (15 C, ou cerca de 288 K), foi atingido, mas exigiu 267 gigapascais de pressão para fazê-lo. Essa pressão é equivalente à pressão interna de planetas gigantes como Júpiter, o que a torna impraticável para aplicações diárias.
Supercondutores em temperatura ambiente permitem a transmissão elétrica de energia sem perdas ou desperdício, trens magnéticos mais eficientes e uso mais barato e mais difundido da tecnologia de ressonância magnética. As aplicações práticas dos supercondutores em temperatura ambiente são ilimitadas – os físicos só precisam saber como os supercondutores funcionam em temperatura ambiente e que material “Goldilocks” permite a supercondutividade.