Supercondutores

Considere novamente a Eq. 26-22, usada para calcular a resistividade de um condutor:

em que n é o número de portadores de carga por unidade de volume e τ é o tempo médio entre colisões dos portadores de carga. (Essa equação foi deduzida para o caso dos condutores, mas também se aplica aos semicondutores.) Vejamos como as variáveis n e τ se comportam quando a temperatura aumenta.

Nos condutores, n tem um valor elevado, que varia muito pouco com a temperatura. O aumento da resistividade com o aumento da temperatura nos metais

(Fig. 26-10) se deve ao aumento das colisões dos portadores de carga com os

átomos da rede cristalina,2 que se manifesta na Eq. 26-29 como uma redução de τ, o tempo médio entre colisões.

Nos semicondutores, n é pequeno, mas aumenta rapidamente com o aumento da temperatura porque a agitação térmica faz com que haja um maior número de portadores disponíveis. Isso resulta em uma redução da resistividade com o aumento da temperatura, como indica o valor negativo do coeficiente de

temperatura da resistividade do silício na Tabela 26-2. O mesmo aumento do número de colisões que é observado no caso dos metais também acontece nos semicondutores; porém, é mais do que compensado pelo rápido aumento do número de portadores de carga.

Supercondutores

Em 1911, o físico holandês Kamerlingh Onnes descobriu que a resistência elétrica

do mercúrio cai para zero quando o metal é resfriado abaixo de 4 K (Fig. 26-14). Esse fenômeno, conhecido como supercondutividade, é de grande interesse tecnológico porque significa que as cargas podem circular em supercondutor sem perder energia na forma de calor. Correntes criadas em anéis supercondutores, por exemplo, persistiram, sem perdas, durante vários anos; é preciso haver uma fonte de energia para produzir a corrente inicial, mas, depois disso, mesmo que a fonte seja removida, a corrente continua a circular indefinidamente.

Figura 26-14 A resistência do mercúrio cai bruscamente para zero quando o metal é resfriado abaixo de 4 K.

Cortesia de Shoji Tonaka/International Superconductivity Technology Center, Tóquio, Japão

Um ímã em forma de disco é levitado por um material supercondutor resfriado com nitrogênio líquido. O aquário com o peixinho é parte da demonstração.

Antes de 1986, as aplicações tecnológicas da supercondutividade eram limitadas pelo custo de produzir as temperaturas extremamente baixas necessárias para que o efeito se manifestasse. Em 1986, porém, foram descobertos materiais cerâmicos que se tornam supercondutores em temperaturas bem mais altas (portanto, mais fáceis e baratas de obter), embora menores que a temperatura ambiente. No futuro, talvez seja possível operar dispositivos supercondutores à temperatura ambiente.

A supercondutividade é um fenômeno muito diferente da condutividade. Na verdade, os melhores condutores normais, como a prata e o cobre, não se tornam supercondutores nem em temperaturas muito baixas, enquanto os novos supercondutores cerâmicos são isolantes à temperatura ambiente.

Uma explicação para a supercondutividade se baseia na ideia de que, em um supercondutor, os elétrons responsáveis pela corrente se movem em pares. Um dos elétrons do par distorce a estrutura cristalina do material, criando nas proximidades uma concentração temporária de cargas positivas; o outro elétron do par é atraído por essas cargas. Segundo a teoria, essa coordenação dos movimentos dos elétrons impede que eles colidam com os átomos da rede cristalina, eliminando a resistência elétrica. A teoria explicou com sucesso o comportamento dos supercondutores de baixa temperatura, descobertos antes de 1986, mas parece que será necessária uma teoria diferente para explicar o comportamento dos novos supercondutores cerâmicos.