Planejamento e produção de um criostato de baixo custo para caracterização elétrica de materiais

Os supercondutores a base de BiSrCaCuO apresentam três fases principais, Bi2Sr2CuO, Bi2Sr2CaCu2O e Bi2Sr2Ca2Cu3O com temperaturas críticas de 20 K, 80 K e 110 K, respectivamente. Desta forma, torna-se fundamental a caracterização elétrica de tais materiais a baixas temperaturas. Com este objetivo confeccionou-se um criostato para medidas de caracterização elétrica. Utilizando-se nitrogênio líquido (77 K), e controlando a pressão sobre o refrigerante, atingiu-se uma temperatura da ordem de 64 K (baseado em princípios termodinâmicos) abrangendo uma maior faixa de temperatura de medida, que permitiu identificar pelo menos duas fases supercondutoras no sistema BSCCO (2212 e 2223). Neste contexto, este sistema propicia uma relação custo/beneficio mais favorável, pois evita o uso de refrigerantes mais custosos como o hélio líquido. O criostato mostra experimentalmente a aplicação dos diagramas de fase PxT (Lei de Gay-Lussac) vistos nos cursos de termodinâmica, propiciando demonstrações experimentais que raras vezes são vistas em sala de aula.

Abstract (english)

Superconductor systems based on BSCCO (BiSrCaCuO) show three main structures, Bi2Sr2CuO, Bi2Sr2Ca Cu2O, and Bi2Sr2CaCu3O, with critical temperatures about 20 K, 80 K, and 110 K, respectively. Therefore, it is fundamental to characterize these systems at low temperatures. In this work it was projected a cryogenic system with capacity to reach temperatures below the liquid nitrogen temperature (77 K). Controlling the pressure on the liquid nitrogen system, according to usual thermodynamic principles, it has been possible to reach a range of temperatures above 64 K in the sample holder. With the availability of a larger temperature range, it became possible to identify at least two superconducting phases in the BSCCO system. There is a favorable cost/benefit ratio with respect to using liquid helium as the refrigerator system. Also, this cryostat provides an application of the standard p-T diagrams (Gay-Lussac law), which are studied in undergraduate courses, and can be used as a pedagogical experimental demonstration.

Keywords

caracterização criostato, supercondutor, princípios termodinâmicos, diagramas de fases, characterization, cryostat, superconductor, thermodynamic principles phase diagrams