Você sabe a diferença entre um simples condutor elétrico e um supercondutor?

Tempo de leitura: 11 minutos

Por favor, antes de ler esse post olhem rapidamente ao seu redor … você pode não perceber, mas com certeza existem vários materiais condutores de energia elétrica a sua volta (a menos que você esteja lendo esse post numa versão impressa, numa praia ou em um bosque, mas creio que isso seja muito pouco provável). De fato, a vida hoje não seria a mesma sem a eletricidade, e a prova disto é o nossa angústia e desespero quando falta luz, em especial à noite. Mas a eletricidade só chega em nossas casas graças a materiais condutores que permitem a passagem da corrente elétrica. Em outras palavras, se não tivéssemos os fios na instalação elétrica de nossa casas não teríamos luz. Esses fios são feitos de cobre, que como todo bom metal, é um bom condutor de eletricidade. Por falar nisso, existe um mito popular que diz o ouro é um condutor de eletricidade melhor que o cobre. Esse mesmo mito diz que não temos fios elétricos de ouro devido ao valor comercial deste, e que por isso seria muito caro. Mas isto não é bem verdade. Se olharmos a tabela abaixo, onde mostro alguns valores de condutividade de alguns metais, vemos que a condutividade do cobre é maior que a do ouro. Um melhor condutor que o cobre seria a prata, pois sua condutividade é um pouco maior. Mas ai sim, no caso dos fios elétricos serem feitos de prata, estes seriam muito caros, e frequentemente ficaríamos sem luz devido ao roubo dos fios (isso já acontece com fios feitos de cobre!).

tabela condutividade

No entanto, independentemente do metal condutor, sendo o cobre ou qualquer outro, não temos um condutor perfeito. Em qualquer condutor, parte da energia elétrica útil é convertida em calor, ou seja, parte da energia é desperdiçada. Isto acontece por que todo condutor apresenta um certo grau de resistência. A resistência é uma característica que pode ser associada a dificuldade desse material em conduzir corrente elétrica. Materiais com elevada resistência não são condutores, por outro lado, são considerados isolantes elétricos. No caso de um metal, com elevada resistência, converte boa parte da energia elétrica transportada por ele em calor. Isso é péssimo para o transporte eficiente de eletricidade. Basta lembrarmos das lâmpadas incandescentes. Boa parte da energia elétrica fornecida para esse tipo de lâmpada é convertido em calor, e não em luz. Essa ineficiência faz aumentar o consumo elétrico, e resultado disso vemos em nossos bolsos mais vazios no final do mês … . Mas o fato de alguns metais terem resistência elevada não de todo mal, e pode ser usado de alguma maneira útil. Quando olhamos na tabela acima, vemos que a condutividade do ferro é muito ruim. Isso significa que a resistividade dele (característica diretamente associada com a resistência) é bem elevada. Boa parte da corrente elétrica que passa por um fio de ferro é convertida em calor, a ponto do fio ficar incandescente. Este “problema”, em termos de condutividade, é usado para aquecer a água de um chuveiro elétrico, torrar um pão numa torradeira, ou aquecer um forno elétrico … Isso é bem útil, mas continua custando bem caro para os nossos bolsos.

Quando diminuímos a temperatura, a condutividade de um metal costuma melhorar, mas mesmo assim ainda existem um certo grau de resistência. Uma maneira de nós compreendermos o porquê disso é considerarmos o modelo do “mar de elétrons” (ou gás de elétrons, se preferirem).  De acordo com esse modelo, os elétrons de valência de um átomo metálico estão muito fracamente ligados a ele, de modo que quando temos uma material metálico (uma barra de ferro, ou um fio de cobre), os elétrons de valência de todos os átomos estão “soltos”, se movendo livremente por todo o material. É como se os núcleos metálicos estivessem mergulhados em “mar” de elétrons, e dai que vem o nome do modelo. No entanto, embora esses elétrons estejam “livres”, o movimento deles dentro do metal não está completamente livre de empecilhos. Por exemplo, quando aplicamos uma diferença de potencial elétrico, esses elétrons desordenados se alinham de acordo com o campo elétrico, gerando um fluxo eletrônico. Porém, os elétrons nesse fluxo, podem colidir com o átomos presos na rede metálica, sendo atraídos por esses, e com isso dificultando o seu fluxo. Ou ainda, podem se repelir com outros elétrons, dificultando a ordem do fluxo elétrico.  Tudo isso contribui para diminuir a condutividade, e elevar a resistência. Quando a temperatura é aumentada, a probabilidade dessas colisões com a rede metálica, ou com outros elétrons, é aumentada, diminuindo ainda mais a condutividade. Por isso que em baixa temperatura os metais conduzem corrente elétrica mais efetivamente.

O mais fantástico disso é que alguns materiais (bem poucos), quando baixamos consideravelmente a temperatura na ordem de algumas dezenas de kelvin, têm sua resistividade tendendo a zero. Isto significa que  sua condutividade tende a um valor infinito (muito grande). Esses materiais, nessas condições, seriam capazes de conduzir corrente elétrica quase que perfeitamente, por distância enormes, sem ter perdas na forma de calor (quando maior o comprimento do fio condutor mais energia elétrica é dissipada). Esses condutores “quasi-perfeitos” são conhecidos como supercondutores. São materiais interessantíssimos, com aplicações muito importantes, porém, ainda com um grande problema. Um supercondutor é um condutor cuja resistividade cai a zero (ou quase zero) abaixo de uma determinada temperatura, chamada de temperatura crítica. Que temperatura é essa? Notem que no início deste parágrafo eu falei que é de algumas dezenas de kelvin. O supercondutor metálico, de maior temperatura crítica conhecida, é uma liga de nióbio-germânio, e sua temperatura crítica é 23 K. Essa valor em graus célsius é – 250°C. Isso mesmo, -250°C! É uma temperatura muito baixa. Só o grande Camus de Aquário seria capaz de atingir uma temperatura dessas! Nem Hyoga conseguiria (a não ser com seu sétimo sentido no modo ligado!). Brincadeiras à parte, essa temperatura torna impossível trabalhar com esse material como um supercondutor (por isso homenageie o Camus na “capa” deste artigo). Para atingir essa temperatura é necessário trabalhar com hélio líquido, que é bem dispendioso. Temos alguns materiais com temperatura crítica mais elevada (93K / -180°C) como é caso de um composto de fórmula YBa2Cu3O7 (não faço a mínima do nome IUPAC para esse composto!), mas ele é cerâmico, e portanto quebradiço, o que significa que não seria possível fazer um fio condutor com ele. Supercondutores com temperatura crítica acima de 77K, embora muito baixas, são no mínimo mais interessantes. Isso porque podem ser resfriados com nitrogênio líquido, que é muito mais barato, e de mais fácil obtenção que o hélio líquido. Mas como funciona o fenômeno da supercondutividade? Se em todo material condutor existe o choque dos elétrons com a rede metálica, como é possível termos uma resistência caindo a zero?

A explicação aceita para isso foi proposta no início da década de 50 por John Bardeen, Leon Cooper, e Robert Schrieffer, que rendeu a esse célebre trio o Prêmio Nobel de Física, em 1972. Essa teoria, na minha humilde opinião, é um tanto abstrata, mas é o que se tem (e eu não sou capaz de fornecer uma explicação melhor). Vou tentar explicar da melhor maneira que puder, mas não sei se ficará bem claro. Na figura abaixo, a esquerda, nós temos a representação de uma rede metálica, onde temos os cátions em sua posições fixas (esferas azuis). A teoria diz que, abaixo da temperatura crítica, o elétron (representado pela esfera preta), com sua carga negativa, consegue atrair os cátions metálico para mais perto dele, provocando uma distorção local da rede cristalina. Essa distorção (figura abaixo, à direita) faz com que os cátions fiquem mais próximos um dos outros, provocando um acúmulo local de carga positiva. Esse acúmulo de carga é capaz de fazer com que um segundo elétron flua em sua direção mais rapidamente (afinal temos mais carga positiva concentrada). Nesta condição, o segundo elétron, que foi atraído pela distorção, se “liga” ao elétrons que distorceu a rede, formando um Par de Cooper. Esse Par de Cooper, que são dois elétrons fortemente acoplados (e para isso o par tem de ter spins opostos), consegue percorrer toda a rede, sem as dificuldades apresentadas ao fluxo eletrônico normal de elétrons “sozinhos”. Uma comparação, grotesca, diga-se de passagem, para facilitar o entendimento do porquê que o fluxo é facilitado, compara os elétrons a cavalos. Um cavalo consegue percorrer sem muitos problemas um terreno acidentado, mas dois cavalos emparelhados conseguem percorrer mais facilmente e com mais ordem, afinal os dois tem de andar sempre na mesma direção. Este é o modelo que temos – em um supercondutor, abaixo da temperatura crítica, os elétrons fluem pelo material aos pares (de Cooper) com mais ordem e mais facilidade que em um condutor normal.

rede metálica

Embora aplicabilidade dos supercondutores como fios elétricos ainda esteja um pouco longe de acontecer, outras propriedades desses materiais podem ser bem exploradas, e de fato, o são. Como no modelo do Par de Cooper os elétrons estão fortemente acoplados, esse acoplamento só pode ser diamagnético (ou seja, como dito acima, os elétrons do par possuem spins opostos). Materiais diamagnéticos tem a capacidade de serem repelidos quando imersos em um campo magnético. Como os materiais supercondutores são fortemente diamagnéticos, eles sofrem considerável repulsão quando submetidos a um campo magnético. E ai, com isso pode ser útil? Levitação, meus caros. Levitação? Sim. A repulsão magnética de um supercondutor dentro de um campo magnético é tamanha que pode superar a atração gravitacional. Uma aplicação disso é um protótipo de trem bala japonês. Imagine que a base do trem possuam um material supercondutor resfriado com nitrogênio líquido, a ponto de atingir a temperatura crítica. E que por sua vez, os trilhos do trem sejam magnetizados. Voilà, temos um trem de levitação magnética. Esse protótipo chega a atingir quase 600 Km/h. Nada mal não? Chegaríamos bem rápido ao trabalho, onde quer que ele fosse. Esse efeito de levitação de um supercondutor tem um nome – é chamado de efeito Meissner, em homenagem a seu descobridor Walter Meissner.

A pesquisa a respeito de supercondutores é um campo em grande desenvolvimento, e com um longo caminho pela frente, mesmo a descoberta da supercondutividade sendo datada do início do século XX. Quem conseguir construir um supercondutor, metálico, e portanto flexível, com temperatura crítica elevada ao ponto de se trabalhar em condições “normais”, ganhará muito dinheiro. Quem sabe não é algum dos leitores desse post?

E ai, gostaram do artigo? Espero que sim. Se gostaram, então por favor, compartilhem, favoritem, indiquem a seus amigos, parentes, alunos, colegas de sala de aula, professores, vizinhos, a todo mundo, que assim me farão muito recompensado. Caso seja a primeira vez que  leem um artigo do Ensinando & Aprendendo não se esqueçam de curtir a Fanpage e se inscrever no canal de Aulas de Química (inorgânica, a princípio) do Youtube. Para isso não precisam entrar no Facebook ou no Youtube não, é só clicar nos botões azul e vermelho, logo acima do artigo, ta ok? Então, até a próxima do Ensinando e Aprendendo.

  • Alex Sandro

    Excelente explicação. Como dito no texto que no modelo do Par de Cooper os elétrons estão fortemente acoplados e devem possuir spins contrários para existir. Se eu quiser criar a levitação, precisaria que o campo magnético tenha uma ação pequena para não houver o rompimento do par de Cooper?. Porque pela lógica seria essa.

  • Lucas Ferro

    Muito bom o texto!