Supercondutividade

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Vejam este pequeno vídeo, que mostra uma das características dos materiais supercondutores.

O que viram no vídeo é o chamado Efeito Meissner (em homenagem ao físico que descobriu esta característica), ou mais conhecido por “levitação magnética” – o corpo que está por baixo é que é o supercondutor, e o de cima um magneto normal. É importante começar por dizer que isto não pode ser obtido com dois magnetos normais. É certo que nesses, pólos iguais se repelem, mas também é igualmente verdade que um magneto nunca só tem um pólo (tem sempre o pólo norte e o pólo sul), pelo que o “equilibrismo” seria praticamente impossível. Além disso, como viram no vídeo, o magneto que estava a levitar podia rodar, que o efeito sempre se mantinha.

Existem ainda dois pontos importantes a notar no vídeo: o fenómeno de supercondutividade só se verifica a muito baixas temperaturas (daí só ter sido descoberto no princípio do século XX, quando foi possível liquefazer o hélio e com isso atingir temperaturas da ordem dos 4 kelvin – 4 graus acima do zero absoluto, isto é a cerca de -269ºC), e não é um fenómeno “puramente” repulsivo, em termos magnéticos, como à primeira vista poderia parecer.

Heike Kamerlingh Onnes – físico que deu início à Física das baixas temperaturas, tendo sido, por isso, o primeiro a observar o fenómeno de supercondutividade.

Quando o fenómeno foi observado pela primeira vez, a característica que saltou imediatamente à vista não foi esta levitação magnética, mas sim algo relacionado com o carácter condutor do material. Pelo nome “supercondutor” facilmente chegam à conclusão que devemos estar na presença de um material que conduz corrente eléctrica com uma “facilidade” muito superior a qualquer outro material. Na verdade essa “facilidade” traduz-se na ausência completa de “dificuldade”! Como sabem, ou talvez não, qualquer material “normal” apresenta uma resistência eléctrica, isto é, se se fizer passar uma corrente eléctrica por ele, ela passará com maior ou menor facilidade. Um isolador é um material que apresenta uma resistência eléctrica tão grande, que não passa corrente, e um condutor é um material que permite a passagem de corrente (também existem semicondutores, mas a explicação do funcionamento desses pode ficar para outra altura). Por outras palavras, sendo a corrente eléctrica um movimento ordenado de electrões (partículas com carga negativa presentes em qualquer átomo), o que se tem é que num isolador os electrões encontram tantos obstáculos, que o seu movimento numa direcção específica se torna impossível, enquanto que num condutor, apesar de encontrarem alguns obstáculos (sofrerem colisões), o seu movimento ordenado é possível. Num supercondutor, não chegam a existir quaisquer colisões, a resistência eléctrica não é baixa (como num condutor), é exactamente nula!

Resistência eléctrica em função da temperatura para um dado material – em Tc dá-se a passagem do estado normal ao estado supercondutor.

Inicialmente pensou-se que isto seria um fenómeno muito particular de apenas alguns materiais. Hoje, sabe-se que é um fenómeno bastante “normal”, tendo já sido observado em centenas de materiais (metais, ligas metálicas, cerâmicos, etc.) – só é necessário que a temperatura seja suficientemente baixa (podendo também, em certos casos, ter-se que alterar a pressão).

Como é que se dá esta transformação, talvez seja difícil de explicar em poucas palavras, mas o fenómeno pode ser comparado, de certo modo, ao congelamento da água. Nesse caso há uma fase líquida que tem certas propriedades, e ao variar-se a temperatura, ela passa de modo espontâneo a uma fase completamente diferente, com características diferentes (a densidade, por exemplo, diminui – o gelo flutua). Chama-se a isto uma transição de fase – é uma transformação abrupta do sistema. Na supercondutividade passa-se o mesmo.

(Para quem tem conhecimentos mais avançados de Física: os electrões (fermiões) formam pares (pares de Cooper) que passam a comportar-se como bosões, pelo que a transição de fase não é mais que uma condensação de Bose-Einstein. O carácter supercondutor advém directamente do facto das partículas serem bosónicas, pois nesse caso todas elas “caem” no nível de menor energia, o que implica que as tais colisões sejam proibidas. Além disto, do facto da resistência ser nula, usando a Lei de Faraday sabem imediatamente que o campo magnético tem que ser constante dentro de um supercondutor, e de modo mais complexo prova-se que essa constante é necessariamente zero, daí que um supercondutor afaste qualquer pólo de um magneto, pois as linhas de campo magnético deste não o podem atravessar. Se o material não estiver na sua totalidade em estado supercondutor, é possível a criação de pequenos “túneis” que atravessam o supercondutor, pelo qual podem passar as linhas de campo magnético, o que faz com que o magneto, no vídeo, seja de certo modo, também, atraído para o supercondutor, pois criaram-se esses “túneis” e é difícil desfazê-los, ou movê-los.)

Inventores da Teoria BCS – Bardeen*, Cooper e Schrieffer (todos galardoados com o prémio Nobel da Física por esta descoberta, que constituiu a primeira explicação completa do fenómeno da supercondutividade). *Também recebeu o prémio Nobel da Física pela invenção do transístor.

Estarão alguns de vós a questionar-se: então se o fenómeno já é conhecido há tanto tempo (mas só compreendido desde a década de sessenta), onde “andam” as aplicações?

De facto as aplicações existem, mas são maioritariamente usadas no âmbito científico (SQUIDs, por exemplo, que são instrumentos de medida de campos magnéticos com uma precisão sem precedentes) e também na medicina (para ressonâncias magnéticas, por exemplo). Para o público em geral só existe basicamente o Maglev (comboio de levitação magnética, que consegue ser muito mais rápido que os comboios “normais”, porque a velocidade dele será apenas condicionada pela resistência do ar), não havendo, porém, muitos exemplares.

Maglev de Shangai – comboio de levitação magnética, que anda a velocidades de cerca 430 km/h (embora a velocidade máxima possa ultrapassar os 500 km/h).

A verdade é que existe um grande problema com a supercondutividade (e que é transversal à maioria dos fenómenos quânticos que se observam em materiais): é necessária a tal temperatura muito baixa! Apesar de hoje em dia já se terem descoberto os chamados “supercondutores de alta temperatura”, essa temperatura é simplesmente acima da do azoto líquido, -196ºC (o que já é uma grande ajuda, pois o azoto líquido é muito mais barato que o hélio líquido), mas ainda assim não é o suficiente para compensar fazer comboios (ou outros transportes) deste tipo, pois o gasto energético em arrefecimento dos materiais supercondutores é demasiado elevado. Muita da investigação experimental que se faz nesta área é exactamente à procura do supercondutor que funcione à temperatura ambiente. Se este for descoberto, poderemos então verificar revoluções na área dos transportes, bem como nas instalações eléctricas que temos em casa: será preferível trocar todo o cobre por supercondutores, pois estes não terão perdas de energia, sendo 100% (praticamente) eficientes.