Supercondutores - O que é a supercondutividade?

Antes de falar em supercondutividade, alguns conceitos devem ser lembrados.

1. Resistência

Conforme o artigo sobre as leis de Ohm, no início do século 19, Georg Simon Ohm (1787-1854) descobriu duas leis que determinam como a corrente elétrica se comporta dentro de condutores.

A primeira lei determina uma relação entre a corrente elétrica e a diferença de potencial em um condutor. No caso atual, o que interessa é a segunda lei de Ohm, que determina a resistência elétrica de um condutor:

onde L é o comprimento do e A a área do condutor.

Esta lei mostra que a resistência depende de $$\rho$$, chamada de resistividade elétrica. A resistividade depende do material e de sua temperatura.

2. Temperatura zero absoluto

A temperatura dos corpos depende do movimento de moléculas e átomos. Quanto maior esse movimento, maior a temperatura do corpo.

Imagine agora que se diminua a temperatura progressivamente, e que esse movimento vá diminuindo, até um ponto em que ele pare. Nesse caso, não existe temperatura menor do que essa. Essa temperatura foi calculada em -273,15° C e originou a escala de temperaturas Kelvin.

Essa escala é absoluta (não possui temperaturas negativas), pois começa no zero.

A descoberta da supercondutividade

Ao fazer experiências com a condutividade elétrica do mercúrio em relação à temperatura, em 1911, o físico Heike Kamerlingh Onnes notou que a resitência elétrica desaparecia a 4 K (-269,15° C).

Esse fenômeno físico é apresentado por certas substâncias, como metais ou cerâmicas, em que a resistência elétrica diminui muito em baixas temperaturas. Até 1986 a maior temperatura para a supercondutividade era de 23,2 K (-249,9° C) para um composto de germânio e nióbio.

Tais temperaturas são conseguidas com a utilização de hélio líquido, que, além de caro, é muito difícil de utilizar. A partir de 1986, vários compostos cerâmicos feitos de óxidos de bário e lantânio, apresentam supercondutividade a temperaturas bem mais altas, como 77 K (-196,15° C). A utilização de nitrogênio líquido já começou a viabilizar a sua utilização prática.

Teoria BCS

Em 1957, o trabalho dos físicos americanos John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieér levou à criação da teoria BCS (abreviatura dos sobrenomes dos cientistas), que mostrava teoricamente a supercondutividade. Por esse trabalho eles receberam o prêmio Nobel de 1972.

Embora a teoria BCS explicasse precisamente a supercondutividade a baixas temperaturas, ela se mostrou ineficiente para as ligas de alta temperatura descobertas na década de 1980.

Essa teoria, bastante complexa, pode ser explicada simplificadamente como duas bolas de boliche em uma cama elástica. Quando uma das bolas é empurrada para o centro, atrai a outra.

As oscilações de uma rede cristalina em baixas temperaturas, provocada pela atração entre pares de elétrons é a responsável pela supercondutividade.

Mais simplificadamente ainda, a paralisação dos movimentos oscilatórios da rede cristalina, provocada pela baixíssima temperatura, cria uma espécie de "rodovia" de alta velocidade para a passagem de pares de elétrons chamados de pares de Cooper.

Aplicações da supercondutividade

Em 1986, com a descoberta dos materiais com supercondutividade a altas temperaturas, a utilização de nitrogênio líquido propiciou vários experimentos que podiam ser reproduzidos até em laboratórios escolares.

Hoje a tendência promissores na criação de supercondutores é a construção de "sanduíches metálicos" com boro por fora e lítio por dentro. Em simulações feitas em computador, esse sanduíche mostrou grande potencialidade. Falta agora fabricar tal liga, o que é bem mais difícil.

As aplicações destes supercondutores vão desde transmissão e geração de energia (geradores de materiais cerâmicos resfriados), tomógrafos para a área médica, supercomputadores etc.