A primeira levitação estável envolvendo supercondutores foi reportada em 1945
[45,46]
. Entretanto, somente em 1953 o fenômeno foi utilizado em eixo e em sistemas com o
intuito de se obter a força rotacional de arrasto[47]. Com a consequente evolução de tal processo,
em 1958 o primeiro motor empregando essa tecnologia foi reportado[48-50]. Porém, a fonte de
resfriamento desses motores era Hélio líquido (T 4,2K) o que evidentemente encarecia o emprego de tal tecnologia, inviabilizando-a como tal.
Com a descoberta dos supercondutores cerâmicos (HTS) do tipo
[51]
com temperatura de transição acima da temperatura do Nitrogênio líquido (T= 77K), o custo de operação, manutenção, manuseio e obtenção de tais dispositivos se tornaram drasticamente
menor [52-56]. Hoje em dia o YBCO continua a ser utilizado como material supercondutor em
levitação, juntamente com seus análogos das terras raras REBaCuO (em que RE simboliza: Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu e La). Esses materiais são utilizados por exibir altos valores
do campo magnético de irreversibilidade (Hirr) na temperatura do Nitrogênio líquido, além de
poderem ser crescidos a partir de microestruturas proporcionando grãos grandes. O Hirr
representa a fase onde o campo magnético está solidamente ancorado, e a região onde ele começa a se mover do supercondutor. Para uma levitação ser estável é necessário que o campo magnético esteja “congelado” dentro do HTS.
A magnetização do supercondutor é proporcional ao produto da densidade de
corrente crítica (Jc) pelo diâmetro do grão típico. Como o objetivo é alcançar altos valores de
magnetização a utilização de grãos supercondutores grandes é essencial. Para isso, a técnica de crescimento é conhecida como texturização (melt-textured samples) e permite obter grãos de
aproximadamente 10 mm de diâmetro[57].
Para compreendermos o comportamento de eixos e mancais magnéticos, constituídos de materiais supercondutores é primordial conhecermos as relações de força entre o magneto permanente e o material supercondutor, ou a distribuição de corrente deste. Sendo assim, as forças a serem determinadas são: levitação, suspensão, restauradora, amortecedora e de arraste. Com isso podemos entender os efeitos de tais forças em um dispositivo concebido com esses materiais [24].
2.6.1 Métodos de Levitação Magnética
Uma das aplicações práticas dos materiais supercondutores é o efeito da levitação magnética. Nesta seção serão apresentados os principais tipos de levitação magnética, os quais podem ser subdivididos em três grupos, descritos a continuação:
2.6.2 Levitação Eletrodinâmica (EDL)
Este tipo de levitação necessita do movimento de um campo magnético nas proximidades de um material condutor. A proposta japonesa de trem de levitação, MAGLEV
(http://www.rtri.or.jp/index.html), está calcada neste princípio [58]. Se um material magnético
realizar um movimento relativo a uma lâmina condutora (Alumínio, por exemplo), correntes parasitas serão induzidas no condutor. Estas correntes, por sua vez, gerarão outro campo magnético o qual, pela lei de Lenz, oporse-á ao campo criado pelo material magnético. A interação entre ambos gerará uma pressão magnética e, por conseguinte, uma força repulsiva no material magnético. Esta força é a responsável pela levitação do corpo.
2.6.3 Levitação Supercondutora (SQL)
Este tipo de levitação baseia-se no efeito Meissner de exclusão de campo
magnético do interior dos supercondutores [59,60]. No caso dos supercondutores do tipo II, esta
exclusão é parcial, o que diminui a força de levitação, mas conduz à estabilidade da levitação. Este fenômeno só pôde ser devidamente explorado a partir do final do século XX com o advento de novos materiais magnéticos e pastilhas supercondutoras de alta temperatura crítica, que se tornam supercondutoras a temperaturas muito mais elevadas que os supercondutores convencionais. Os supercondutores de alta temperatura crítica podem ser resfriados com Nitrogênio líquido (77 K) enquanto que os supercondutores convencionais precisam ser refrigerados com Hélio líquido (4 K), o que torna o custo da refrigeração muito elevado.
Estes novos supercondutores estão sendo usados na pesquisa de um novo tipo de trem de levitação em diferentes países, incluindo Brasil (http://www.lasup.dee.ufrj.br/), China (http://asclab.swjtu.edu.cn) e Alemanha (http://ifwdresden. de). Esta solução tecnológica ainda não foi implementada em escala real.
2.6.4 Levitação Eletromagnética (EML)
Este tipo de levitação tem na proposta alemã de trem de levitação, Transrapid (http://www.transrapid.de), que está atualmente implementado na China numa conexão de 30 km entre Pudong Shanghai International Airport e Shanghai Lujiazui, um distrito financeiro, e na proposta japonesa HSST (http://www.meitetsu.co.jp/chsst) grandes exemplos de sucesso. A Suíça também, no seu projeto Swissmetro, emprega esta tecnologia (http://www.swissmetro.com). O fundamento físico básico, nesta aplicação, explora a força de atração que existe entre um imã ou eletroímã e um material ferromagnético. A estabilização, neste caso, só é possível com uma malha de realimentação e regulador devidamente sintonizado.
3 Modelo De Estado Critico
Os supercondutores do tipo-II apresentam uma microestrutura e uma magnetização bem diferente daquelas encontradas nos supercondutores do tipo-I. Enquanto que os últimos são geralmente fabricados com um único material, os primeiros são, em sua maioria, formados por ligas e compostos. Além disso, o efeito Meissner é mais relevante na descrição do comportamento magnético dos supercondutores do tipo-I do que do tipo-II.
Os supercondutores do tipo-II sustentam o estado Meissner até campos críticos de
valores extremamente baixos. Além desse valor, chamado de campo crítico 1 (HC1), o campo
externo começa a penetrar no material sob a forma de uma rede de filamentos ou fluxoides. O diâmetro desses tubos é menor do que a profundidade de penetração de London ( ). Esse processo de entrada de campo evolui até outro valor de campo crítico, conhecido como campo
crítico 2 (HC2), quando todo o material fica preenchido por fluxoides e vai para o estado normal.
Entre os campos HC1 e HC2, o supercondutor se encontra num estado conhecido como estado
misto. O chamado estado crítico ocorre quando um supercondutor do tipo-II, que se encontra no
estado misto, apresenta não-homogeneidades em sua estrutura, o que possibilita o aprisionamento (flux pinning) de fluxoides que penetraram no material. Esse aprisionamento de fluxo confere propriedades magnéticas importantes ao material, como a histerese, e é uma das razões que torna os supercondutores do tipo-II mais indicados para aplicações tecnológicas. Para valores acima de
HC2o material se encontra no estado normal.
Os modelos do estado crítico buscam representar o comportamento de supercondutores do tipo-II, através da construção de regras que envolvam os valores críticos das
grandezas elétricas e magnéticas representativas e mensuráveis destes materiais. C. P. Bean [40]
foi um dos primeiros a propor este tipo de abordagem, ao sugerir que as curvas de magnetização dos supercondutores pudessem ser obtidas por um modelo representado por correntes críticas macroscópicas. Todos os modelos fenomenológicos posteriores que se basearam nessa premissa