Conteúdos

Este roteiro de estudos de física tem como objetivo definir o conceito de supercondutores e explicar as suas principais propriedades.

Objetivos

• Compreender o que são supercondutores e quais são as suas propriedades; e
• Listar quais os tipos de supercondutores existentes.

Conteúdos / Objetos do conhecimento:

• Condutividade e supercondutividade.

Palavras-chave:

Supercondutores. Condutividade. Condutores.

Proposta de trabalho:

O objetivo deste material é apoiar os alunos na compreensão do que é um supercondutor e quais são as suas propriedades, desenvolvendo seus conhecimentos sobre eletromagnetismo, condutores e suas aplicações.

Explore os materiais fornecidos como base, atentando-se para as respostas a cada pergunta orientadora. Durante a leitura, tome nota de quaisquer dúvidas adicionais que surgirem, aproveitando para praticar as questões em seu caderno. Após os estudos, escreva um breve resumo, sintetizando os principais conceitos aprendidos.

1ª Etapa: Retomando os materiais condutores

Pergunta orientadora: O que são materiais condutores?

Os condutores são materiais que facilitam a passagem de cargas elétricas com mínima resistência quando submetidos a uma diferença de potencial, como em baterias e tomadas. Essa capacidade ocorre devido à presença de elétrons livres em sua última camada atômica, que se movem facilmente pelo material, gerando corrente elétrica. A condutividade elétrica é a medida que determina o quão bem um material conduz eletricidade. Os melhores condutores, como a prata, têm alta condutividade, enquanto materiais como a borracha têm baixa condutividade e são considerados maus condutores. A resistividade elétrica, por outro lado, mede a oposição do material ao fluxo de cargas, sendo o inverso da condutividade. Existem três tipos principais de condutores:

• Sólidos: como metais (prata, cobre, alumínio), onde os elétrons livres se movem rapidamente, conduzindo eletricidade;
• Líquidos: soluções eletrolíticas (como sódio e mercúrio), em que íons se movem em direções opostas gerando corrente; e
• Gasosos: gases ionizados que conduzem eletricidade através do movimento de íons.

Além dos condutores, há os semicondutores, como o silício e o germânio, que têm uma condutividade intermediária e se comportam como isolantes ou condutores dependendo de fatores externos, como temperatura. Já os isolantes são materiais com alta resistividade que impedem o fluxo de eletricidade, como o plástico e a borracha. 

Leia o seguinte texto:

Condutores – Mundo Educação
Acesso em: 23 de setembro de 2024.

A partir da leitura do texto acima, responda às seguintes perguntas:

• O que são materiais condutores?
• Dê exemplos de materiais condutores.

Para saber mais sobre os materiais condutores, assista:

Condutores e Isolantes – HUMOR QUÂNTICO
Acesso em: 23 de setembro de 2024.

Gabarito 

1) Materiais condutores são aqueles que permitem a passagem de corrente elétrica com facilidade. Eles possuem uma baixa resistência elétrica, porque os materiais condutores têm elétrons livres em sua estrutura, chamados de elétrons de condução, que podem se mover facilmente através do material, quando aplicamos uma diferença de potencial (voltagem).

2) São exemplos de materiais condutores: metais, cobre, alumínio, prata, ouro e grafite.

2ª Etapa: Materiais condutores x materiais supercondutores

Pergunta orientadora: O que são materiais supercondutores?

Supercondutores são materiais que, ao serem resfriados a uma temperatura crítica específica, conduzem eletricidade sem resistência, uma característica que elimina as perdas de energia comuns em condutores convencionais. Esse comportamento é explicado pelo efeito Meissner, que impede a penetração de campos magnéticos nos supercondutores, ao formar uma corrente elétrica em sua superfície que anula o campo externo. A descoberta desse fenômeno ocorreu quando o físico Heike Kamerlingh Onnes, em 1911, resfriou mercúrio a temperaturas extremamente baixas, observando o desaparecimento da resistência elétrica.

Atualmente, os supercondutores são classificados em diferentes tipos, dependendo do material utilizado, como elementos químicos puros (por exemplo, mercúrio), materiais orgânicos (como grafeno) e ligas metálicas (nióbio-titânio). Eles têm aplicações importantes na tecnologia, como nos trens de levitação magnética (maglev), que utilizam o efeito Meissner para flutuar e alcançar altas velocidades, em aparelhos de ressonância magnética e em geradores de energia, nos quais são usados para criar campos magnéticos intensos e reduzir perdas elétricas. Embora os primeiros supercondutores necessitassem de temperaturas extremamente baixas, pesquisas recentes indicam que é possível obter supercondutividade em temperaturas mais altas, próximas da ambiente, embora em condições de alta pressão.

Leia o texto abaixo:

Supercondutores: o que são, materiais e aplicações – Brasil Escola
Acesso em: 23 de setembro de 2024.

A partir da leitura do texto acima, responda às seguintes perguntas:

• O que são materiais supercondutores?
• Quais são os dois principais tipos de supercondutores?
• Dê exemplos de materiais supercondutores.
• O que é efeito Meissner?

Gabarito

1) Materiais supercondutores são tipos especiais de materiais que, quando ficam muito frios, podem conduzir eletricidade sem perder energia. Normalmente, quando a eletricidade passa por fios, parte dela se transforma em calor (por isso os aparelhos esquentam). Nos supercondutores, no entanto, isso não acontece, pois a eletricidade flui sem nenhuma resistência, como se fosse em um estado totalmente livre. Além disso, os supercondutores expulsam campos magnéticos e isso faz com que possam levitar coisas, por meio da levitação magnética.

2) Os supercondutores tipo I são considerados simples. Quando resfriamos um material tipo I, ele se transforma completamente em um supercondutor e, com isso, expulsa todo o campo magnético ao seu redor e não deixa nada entrar. Normalmente, são feitos de metais simples, como o mercúrio.

Os supercondutores tipo II são mais complexos pois, em vez de expulsarem todo o campo magnético, deixam parcialmente ele passar por pequenas áreas, que são chamadas de vórtices. Esses materiais costumam ser mais úteis nas aplicações tecnológicas e funcionam em temperaturas mais altas.

3) Alguns exemplos de materiais supercondutores são: mercúrio, chumbo, carbono, fulerenos, nanotubos de carbono e grafeno.

4) O efeito Meissner se dá quando um material condutor é submetido a uma temperatura crítica específica e manifesta a expulsão completa do campo magnético do interior de um supercondutor, resultando num estado livre de elétrons (correntes sem resistividade) na superfície do material.

Materiais Relacionados

Supercondutividade, o que é isso? – Mundo Escola
Acesso em: 23 de setembro de 2024.

O que é o efeito Meissner? – National Geographic

Acesso em: 23 de setembro de 2024.

‌O misterioso mundo da supercondutividade – Ciência Hoje
Acesso em: 23 de setembro de 2024.

Roteiro de estudos elaborado pela Professora Gabriela Ribeiro do Prado.

Revisão textual: Professora Daniela Leite Nunes.

Coordenação Pedagógica: Prof.ª Dr.ª Aline Monge.

 Crédito da imagem: Nikada – Getty Images