Explique o fenômeno da (a) supercondutividade (seção 29.8 do livro texto), (b) levitação magnética e cite pelo menos uma aplicação de cada fenômeno explicando a física envolvida nesta aplicação. (2,0 pontos)

Passo 1

Então, você me pediu para explicar dois fenômenos: (a) supercondutividade e (b) levitação magnética. Além disso, devo citar pelo menos uma aplicação para cada um desses fenômenos, explicando a física por trás dessas aplicações. Para isso, precisamos entender o que são supercondutividade e levitação magnética, além dos conceitos físicos que os sustentam.

Passo 2

Vamos começar com supercondutividade. Supercondutividade é um estado da matéria em que certos materiais podem conduzir eletricidade sem nenhuma resistência elétrica quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica. Isso significa que a corrente elétrica pode fluir indefinidamente sem perda de energia.
A teoria que explica a supercondutividade mais básica é a Teoria de BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer). Basicamente, ela sugere que os elétrons em um material supercondutor formam pares chamados “pares de Cooper”. Esses pares de elétrons se movem de maneira ordenada através da rede cristalina do material, sem serem dispersados pelos átomos, o que elimina a resistência elétrica.
Matematicamente, a resistência $ R $ em um supercondutor é zero:
R

Passo 3

Agora, vamos falar sobre levitação magnética. Esse fenômeno ocorre quando um objeto é suspenso no ar pela interação de campos magnéticos. Existem dois efeitos principais que facilitam a levitação magnética: o efeito Meissner e a força de repulsão magnética.
O efeito Meissner faz com que um supercondutor expulse todos os campos magnéticos internos quando está no estado supercondutor. Isso cria uma força de repulsão que pode manter o supercondutor suspenso acima de um ímã.
Além disso, a interação entre os campos magnéticos do ímã e do supercondutor resulta em uma levitação estável, pois o supercondutor tenta se alinhar de forma a minimizar a energia do sistema, mantendo-se suspenso.

Passo 4

Vamos para as aplicações:
Supercondutividade na Medicina - MRI (Ressonância Magnética):
Os aparelhos de ressonância magnética utilizam ímãs supercondutores para gerar campos magnéticos fortes e estáveis. A ausência de resistência elétrica nos supercondutores permite que esses ímãs mantenham o campo magnético intenso sem perda de energia, tornando o processo mais eficiente e permitindo imagens de alta qualidade do interior do corpo humano.
Levitação Magnética em Trens Maglev:
Os trens Maglev (magnetic levitation) utilizam a levitação magnética para flutuar sobre os trilhos. Isso elimina o atrito entre o trem e os trilhos, permitindo velocidades muito altas e uma viagem mais suave. A estabilidade proporcionada pela levitação magnética também aumenta a eficiência e a segurança do transporte.

Resposta

Supercondutividade é um estado onde materiais conduzem eletricidade sem resistência quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica, permitindo a circulação de corrente indefinidamente. A levitação magnética ocorre pela interação de campos magnéticos que suspendem objetos no ar, principalmente através do efeito Meissner. Uma aplicação da supercondutividade é na ressonância magnética, que usa ímãs supercondutores para gerar campos magnéticos estáveis e fortes. Já os trens Maglev são uma aplicação da levitação magnética, utilizando-a para flutuar acima dos trilhos, reduzindo o atrito e permitindo altas velocidades.

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