Supercondutores

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Supercondutores
 

Condutividade e Resistividade
    Para tratarmos da propriedade supercondutora é impressindível introduzirmos conceito de condutividade e resistividade.
    A condutividade é uma propriedade que determinados materiais têm de transportar cargas elétricas ao longo de sua rede de átomos, e em oposição a esse movimento existe a resistividade.
    Como já é bem conhecido, amaior parte das propriedades físicas variam com a temperatura, a condutividade e a resistividade não são diferentes.
    Podemos observar o comportamento da resistividade de um metal, em especial o cobre, com a variação da temperatura na figura 1.

Figura 1
    A equação abaixo descreve a relação entre a temperatura e a resistividade, para uma faixa razoável de temperatura.

    Em geral arelação entre a temperatura e a resistividade é razoavelmente linear para a maioria dos metais. Com isso, já no inicio do século, se esperava que em temperaturas muito baixas, próximo ao “zero absoluto” a resistividade poderia tender a zero, aparecendo uma nova propriedade de supercondutividade. Supercondutores são materiais que apresentam pouca ou nenhuma resistência ao fluxo elétrico.

     Todasas teorias citadas anteriormente eram conhecidas no início do século XIX, mas não eram comprovadas para temperaturas muito baixas. Quando Heike Kamerlingh Onnes (foto ao lado), o primeiro pesquisador a liquefazer o hélio em 1908, resolveu realizar experiências com temperaturas pouco acima do “zero absoluto” em torno de 4 K.
 
     Heike K. Onnes esperava três possíveis resultados devido àsteorias da época. A figura abaixo demonstra as possibilidades representadas graficamente:

a)Essa curva ocorreria se resistência fosse inteiramente devido à obstrução das trajetórias dos elétrons pelas vibrações térmicas, sendo assim a diminuição dessa temperatura aproximando-se a zero faria cessar a  resistência.
b)Essa curva era esperada caso as impurezas e imperfeições da rede cristalinainfluenciassem na resistividade.
c)Essa curva ocorreria se houvesse uma diminuição do número de elétrons de condução devido a algum mecanismo de condensação.Figura 2
     No início de suas experiências Heike K. Onnes utilizou dois materiais. Utilizou primeiramente a platina, sem muito sucesso. Em seu segundo experimento utilizou um material, que na sua época, poderia se conseguir maior grau de pureza,o mercúrio.
     Podemos observar os resultados obtidos na figura 3 abaixo:
 
Figura 3 
 
     Tanto na experiência com o mercúrio como com a platina, Heike K. Onnes refrigerou os métais com hélio líquido.
     No caso do mercúrio verificou que sua resistência elétrica tendia a zero quando sua temperatura era inferior a 4,2 °K.
     Essa temperatura é denominada de temperatura crítica Tc,onde o material passa a ser um supercondutor. Heike K. Onnes também percebeu que quando os supercondutores estavam sob influência de um determinado campo magnético, o material voltava a seu estado normal. Com isso determinou um campo magnético crítico Hc.
     Onnes fez experiência com diversos materiais, basicamente metais. A temperatura crítica e o campo magnético crítico desses foram obeservados e colocados na tabela abaixo figura 4.

Figura 4
     O gráfico a abaixo mostra a variação da temperatura crítica do chumbo com o campo magnético. Observe que para T = Tc para B = 0

 
Teoria BCS
     Heike K. Onnes não conseguiu explicar a propriedade de um supercondutor satisfatoriamente, e só após 46 anos surgiu uma explicação bem sucedida do fenômeno supercondutividade. Em 1957, osfísicos John Bardeen (esquerda), Leon Cooper (o mesmo dos "pares", no centro) e Robert Schrieffer (direita) apresentaram um modelo teórico que concordava muito bem com as observações experimentais nos supercondutores, essa teoria ficou conhecida como Teoria BCS devido as iniciais dos nomes de seus criadores.

 
Pares de Cooper
     Antes de entrarmos na teoria BCS é importante explicar o que...
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