O Mundo das Baixas Temperaturas:

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1 O Mundo das Baixas Temperaturas:
Supercondutividade, campos magnéticos e outras histórias Luis Ghivelder Laboratório de Baixas Temperaturas Instituto de Física - UFRJ

2 Freezer  - 20 C Geladeira  5 C

3 Gelo seco (CO2 sólido)  - 78 C (195 K)
Usado para guardar sorvete Antártica  - 89 C ( 184 K ) Temperatura mais fria ja registrada na terra Lua de Netuno, Triton  C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço  C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang

4 Gelo seco (CO2 sólido)  - 78 C (195 K)
Usado para guardar sorvete Cosmic Background Explorer (COBE) Antártica  - 89 C ( 184 K ) Temperatura mais fria ja registrada na terra Lua de Netuno, Triton  C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço  C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang

5 O Zero Absoluto !!! -273,2 C Lord Kelvin ( )

6 Como fazer experimentos a baixas temperaturas ???
Nitrogênio líquido  C ou 77 K

7

8 Hélio líquido bombeado  1.4 K ( - 272 C )
Hélio líquido  4.2 K ( -269 C ) Hélio líquido bombeado  1.4 K ( C ) He3 bombeado  0.3 K Isótopo do Hélio com 2 prótons e apenas 1 nêutron

9 Muito baixas temperaturas
Refrigerador de Diluição (He3/He4) 0.01 K (10 mK) Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ T min = 0.05 K

10 T (K) Zero absoluto Nitrogênio líquido Hélio líquido
Derretimento do gelo (0 °C) Derretimento do ferro Nebulósa estelar Explosão nuclear Dentro do sol Dentro de estrelas quentes espaço Hélio líquido Nitrogênio líquido 4Hélio superfluido Menor temperatura de elétrons em um metal Menor temperatura do 3Hélio núcleos em um sólido Zero absoluto 3Hélio superfluido T (K)

11 Supercondutividade Resistência elétrica nula

12 A descoberta da supercondutividade
Kammerlingh Onnes (1853 – 1926)

13 Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores

14 Os elementos supercondutores
Temperatura de transição (K) Campo magnértico crítico (mT) Bons condutores não são supercondutores Nb (Nióbio) Tc= 9K Tc mais alto Fe Elementos magnéticos não são supercondutores

15 nulo dentro de um supercondutor
Efeito Meissner (1933) O campo magnético é nulo dentro de um supercondutor

16 BA Corrente elétrica superficial Material Supercondutor
Campo magnético gerado pelas correntes superficiais Campo magnético externo Expulsão do campo magnético BA i Diamagnetismo perfeito

17 Campo magnético não entra na amostra
Levitação magnética

18 Supercondutores tipo II VÓRTICES
Campo magnético penetra somentenuma pequena profundidade λL em “tubos” de diâmetro λL formando regiões normais dentro do material T > TC tipo I tipo II

19 Supercondutores tipo II VÓRTICES
Supercondutor tipo II Vórtices Corrente 0.1 micron = 1 x 10-4 mm

20 Limitador para aplicações práticas CORRENTE CRÍTICA
Para uma dada temperatura T, a amostra só é supercondutora abaixo de um campo crítico Hc

21 O que torna os materiais supercondutores ???
Bardeen, Cooper, e Schrieffer Teoria BCS Interação dos elétrons com a rede forma pares de elétrons, que atravessam o material livremente

22 Supercondutividade de Alta Temperatura
A grande descoberta de 1986 Supercondutividade de Alta Temperatura LaBaCuO K / -233 ºC O primeiro: HgTlBaCaCuO K / -135 ºC O recorde: YBaCuO K / -181 ºC O mais estudado: Bednorz e Müller Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras

23 Materiais Supercondutores
1910 1930 1950 1970 1990 20 40 60 80 100 120 140 160 Temperatura de transição supercondutora (K) Hg Pb Nb NbC NbN V3Si Nb3Sn Nb3Ge (LaBa)CuO YBa2Cu3O7 BiCaSrCuO TlBaCaCuO HgBa2Ca2Cu3O9 (sob pressão) Temperatura do Nitrogênio Líquido (77K)

24 YBa2Cu3O7- A supercondutividade ocorre em planos de CuO2
Vórtices em panquecas

25 Aplicações práticas de supercondutividade
Geração de campos magnéticos

26 Fios supercondutores Nb3Sn NbTi BiSrCaCuO-Ag MgB2

27 Construindo solenóides supercondutores (I)
Aplicações na física da matéria condensada - materiais

28 Os solenóides supercondutores são colocados em criostatos, para realização de experimentos combinando baixas temperaturas e altos campos magnéticos “Quench” do magneto supercondutor Estudo do comportamento de materiais em condições extremas

29 Construindo solenóides supercondutores (II)
Aplicações na física nuclear de altas energias

30 Construindo solenóides supercondutores (III)
Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnética

31 Corpo humano Terra Imã de geladeira Auto-falante
Vamos entender a magnitude de alguns campos magnéticos Corpo humano 3 x T / 3 x 10-6 Oe Terra 3 x T / 0.3 Oe 0.3 T/ 3000 Oe Imã de geladeira Auto-falante

32 Solenóide convencional (eletroimã)
0.5 a 2 T / 50 a 200 kOe Solenóide supercondutor 5 a 20 T / 50 a 200 kOe

33 Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (I)
Máximo campo contínuo: combinando solenóides supercondutor e convencional – H = 45 T NHMFL – FLORIDA, USA: supercondutor 11.5T, resistivo 33.5T consumo 36MW, energia armazenada – 100MJ

34 Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (II)
Campos magnéticos pulsados, até H = 300 T Banco de Capacitores LNCMP – Toulosse, França

35 Porque realizar esses estudos ???
Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (III) Magnetos destrutivos, até H = 1000 T em alguns microsegundos Porque realizar esses estudos ??? Aplicações ou ciência básica ??

36 Não leve essa aula muito a sério... apenas relaxe e desfrute.
Vou contar para você como a natureza se comporta. Se você simplesmente admitir que ela se comporta dessa forma, você a encontrara encantadora e cativante. Mas não fique perguntando para si próprio: “mas como ela pode ser assim?” porque nesse caso você entrará em um beco sem saída do qual ninguém nunca escapou. Ninguém sabe porque a natureza é assim. Richard Feynman Prêmio Nobel de Física em 1965 pela descoberta da eletrodinâmica quântica

37 Fim… Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento
de levitação de um imã sobre um material supercondutor