(Demonstration experiment for superconducting levitation: A tool for the formulation of physics concepts)

In the middle of 1980’s, the ceramic superconductors were novel materials that exhibit superconductivity at temperatures larger than that of liquid nitrogen (T = 77 K). This cryogenic liquid is easier to be obtained and cheaper than liquid helium (T = 4.2 K). Thus, the possibility of applications of such materials increased and they are suited to the efforts to search clean energy sources and the growth of a sustainability society. This is possible due to the properties of the superconductors as zero resistivity and perfect diamagnetism. In this work we will present the arrangement of a superconducting levitation experiment that can be used as a motivation for high school students and also to encourage them to choose a scientific career.

maglev; superconductors; levitation; magnetic rail

Authorship

Abraão L. dos Santos

Departamento de Física e Química, Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Ilha Solteira, SP, BrasilFaculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”BrasilIlha Solteira, SP, BrasilDepartamento de Física e Química, Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Ilha Solteira, SP, Brasil

Adriana G. Presotto

Mário P.C. Júnior

Gilberto A. de Brito

Cláudio L. Carvalho

Rafael Zadorosny ¹1E-mail: rafazad@yahoo.com.br.

1E-mail: rafazad@yahoo.com.br.

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Figures (10)

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Figura 1
Esquematização de um supercondutor granular. A matriz cinza simboliza o material intergranular não-supercondutor que permeia os grãos supercondutores (na cor preta). As circuitações amarelas indicam as correntes intragranulares que surgem para blindar os grãos de campos magnéticos exteriores, i.e., são devidas ao efeito Meissner; as regiões hachuradas, na cor azul, exemplificam regiões de contato entre os grãos (conhecidos por weak-liks, ou, elos fracos) e a circuitação vermelha indica a corrente intergranular. A região em cinza escuro enclausurada pela circuitação vermelha indica campo magnético aprisionado devido a um procedimento FC, por exemplo. Há, também, a possibilidade de se ter vórtices penetrados em cada grão, contudo, este caso não está demonstrado na presente figura.

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Figura 2
Representação das linhas de força do campo magnético quando da presença de um material supercondutor. O campo que transpassa o material é devido ou à formação de vórtices no interior dos grãos, ou ao aprisionamento do campo no meio intergranular ou mesmo uma mistura destes. O acúmulo de linhas próximas à superfície da amostra é devido ao de efeito de desmagnetização.

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Figura 3
Disposição de um conjunto de ímãs cujas extremidades superiores estão na forma SNS. Em (a) é ilustrada a configuração das linhas de força do campo magnético produzido pelos ímãs. Atentem ao fato de que uma maior densidade de linhas (número de linhas por unidade de área) de força implica em uma maior intensidade do campo magnético. Em (b) está ilustrado a expulsão do campo magnético, devido ao efeito Meissner, do interior de um SC e o aprisionamento de algum campo no material devido a defeitos presentes no mesmo como, por exemplo, contornos de grãos. O campo expulso forma um tipo de gaiola magnética ao redor do SC e o campo aprisionado ajuda na estabilidade do material que está levitando.

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Figura 4
Montagem experimental do trilho magnético. Em (a) é mostrado o desenho do trilho cujos diâmetro externo da região maior e da região menor são de 47 cm e 36 cm respectivamente. No painel (b) é mostrado o suporte de madeira (de cor preta) onde foram fixadas a base metálica e as guias de alumínio. As guias são apenas para facilitar a fixação dos ímãs e melhorar a estética do trilho. Em (c) são mostrados os ímãs de Nd₂Fe₁₄B (que não estão na disposição SNS). A imagem do painel (d) mostra o trilho magnético completamente montado.

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Figura 5
Campo em função da posição, H(x), e para diferentes alturas a partir da superfície dos ímãs. O sinal positivo é referente ao polo sul e o negativo referente ao polo note.

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Figura 6
Campo em função da distância com relação ao centro do plano dos ímãs. Os quadrados representam o campo de um único ímã e os círculos representam o campo do ímã central do trilho.

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Figura 7
No painel principal é mostrada a estrutura fita supercondutora (“coated conductor”) (imagem retirada da Ref. [¹⁷[17] SuperPower. http://www.superpower-inc.com/content/2g-hts-wire, acesso em 27/10/2014.
http://www.superpower-inc.com/content/2g... ]) utilizada para a formação do bloco SC para o experimento de levitação. As imagens inferiores são, respectivamente da esquerda para a direita, um bloco SC envolto em fita kapton, base de isopor com os blocos dentro e a capa no formato de um trem.

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Figura 8
Resistência em função da temperatura, R(T), da fita supercondutora. Note que R não é nula após a transição devido à resistência dos contatos, contudo, T_c = 94,5 K e ΔT_c = 3,2 K, o que indica a boa qualidade da amostra. O inset mostra uma imagem obtida por MEV onde é visualizado um perfil da fita.

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Figura 9
No painel superior esquerdo, é mostrado o trem levitando normalmente sobre o trilho magnético. Nos demais painéis é demostrada a estabilidade do processo de levitação supercondutora. O termo “zad” visualizado na imagem do topo do trem é apenas uma rubrica referente ao sobrenome do coordenador do projeto ora desenvolvido, i.e., Zadorosny.

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Figura 10
Aparato para visualização do comportamento do campo magnético sobre um SC após um processo FC. O acúmulo de linhas de força do campo magnético sobre o objeto de madeira (representando o SC) é conhecido por efeito de desmagnetização, onde o campo magnético nas bordas da amostra é maior do que o campo aplicado sobre ela. Há, ainda, algumas linhas que transpassam o material indicando o campo que penetra no SC. Assim como ocorre no experimento de levitação, o seu análogo mecânico ajuda na compreensão dos comportamentos envolvidos tais como efeito Meissner e estabilidade da levitação supercondutora.

Figura 1 Esquematização de um supercondutor granular. A matriz cinza simboliza o material intergranular não-supercondutor que permeia os grãos supercondutores (na cor preta). As circuitações amarelas indicam as correntes intragranulares que surgem para blindar os grãos de campos magnéticos exteriores, i.e., são devidas ao efeito Meissner; as regiões hachuradas, na cor azul, exemplificam regiões de contato entre os grãos (conhecidos por weak-liks, ou, elos fracos) e a circuitação vermelha indica a corrente intergranular. A região em cinza escuro enclausurada pela circuitação vermelha indica campo magnético aprisionado devido a um procedimento FC, por exemplo. Há, também, a possibilidade de se ter vórtices penetrados em cada grão, contudo, este caso não está demonstrado na presente figura.

Figura 2 Representação das linhas de força do campo magnético quando da presença de um material supercondutor. O campo que transpassa o material é devido ou à formação de vórtices no interior dos grãos, ou ao aprisionamento do campo no meio intergranular ou mesmo uma mistura destes. O acúmulo de linhas próximas à superfície da amostra é devido ao de efeito de desmagnetização.

Figura 3 Disposição de um conjunto de ímãs cujas extremidades superiores estão na forma SNS. Em (a) é ilustrada a configuração das linhas de força do campo magnético produzido pelos ímãs. Atentem ao fato de que uma maior densidade de linhas (número de linhas por unidade de área) de força implica em uma maior intensidade do campo magnético. Em (b) está ilustrado a expulsão do campo magnético, devido ao efeito Meissner, do interior de um SC e o aprisionamento de algum campo no material devido a defeitos presentes no mesmo como, por exemplo, contornos de grãos. O campo expulso forma um tipo de gaiola magnética ao redor do SC e o campo aprisionado ajuda na estabilidade do material que está levitando.

Figura 4 Montagem experimental do trilho magnético. Em (a) é mostrado o desenho do trilho cujos diâmetro externo da região maior e da região menor são de 47 cm e 36 cm respectivamente. No painel (b) é mostrado o suporte de madeira (de cor preta) onde foram fixadas a base metálica e as guias de alumínio. As guias são apenas para facilitar a fixação dos ímãs e melhorar a estética do trilho. Em (c) são mostrados os ímãs de Nd₂Fe₁₄B (que não estão na disposição SNS). A imagem do painel (d) mostra o trilho magnético completamente montado.

Figura 5 Campo em função da posição, H(x), e para diferentes alturas a partir da superfície dos ímãs. O sinal positivo é referente ao polo sul e o negativo referente ao polo note.

Figura 6 Campo em função da distância com relação ao centro do plano dos ímãs. Os quadrados representam o campo de um único ímã e os círculos representam o campo do ímã central do trilho.

Figura 7 No painel principal é mostrada a estrutura fita supercondutora (“coated conductor”) (imagem retirada da Ref. [¹⁷[17] SuperPower. http://www.superpower-inc.com/content/2g-hts-wire, acesso em 27/10/2014.
http://www.superpower-inc.com/content/2g... ]) utilizada para a formação do bloco SC para o experimento de levitação. As imagens inferiores são, respectivamente da esquerda para a direita, um bloco SC envolto em fita kapton, base de isopor com os blocos dentro e a capa no formato de um trem.

Figura 8 Resistência em função da temperatura, R(T), da fita supercondutora. Note que R não é nula após a transição devido à resistência dos contatos, contudo, T_c = 94,5 K e ΔT_c = 3,2 K, o que indica a boa qualidade da amostra. O inset mostra uma imagem obtida por MEV onde é visualizado um perfil da fita.

Figura 9 No painel superior esquerdo, é mostrado o trem levitando normalmente sobre o trilho magnético. Nos demais painéis é demostrada a estabilidade do processo de levitação supercondutora. O termo “zad” visualizado na imagem do topo do trem é apenas uma rubrica referente ao sobrenome do coordenador do projeto ora desenvolvido, i.e., Zadorosny.

Figura 10 Aparato para visualização do comportamento do campo magnético sobre um SC após um processo FC. O acúmulo de linhas de força do campo magnético sobre o objeto de madeira (representando o SC) é conhecido por efeito de desmagnetização, onde o campo magnético nas bordas da amostra é maior do que o campo aplicado sobre ela. Há, ainda, algumas linhas que transpassam o material indicando o campo que penetra no SC. Assim como ocorre no experimento de levitação, o seu análogo mecânico ajuda na compreensão dos comportamentos envolvidos tais como efeito Meissner e estabilidade da levitação supercondutora.

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[1] 1E-mail: rafazad@yahoo.com.br.