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APRIMORAMENTO DE SISTEMA DE CARACTERIZACAO DE FITAS
SUPERCONDUTORAS
Luiz Felipe Correa de Sa Santos Ribeiro
Projeto de Graduacao apresentado ao Corpo
Docente do Departamento de Engenharia
Eletrica da Escola Politecnica da Universidade
Federal do Rio de Janeiro, como parte dos
requisitos necessarios a obtencao do tıtulo de
Engenheiro Eletricista.
Orientadores: Rubens de Andrade Jr.
Flavio Goulart dos Reis Martins
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2017
APRIMORAMENTO DE SISTEMA DE CARACTERIZACAO DE FITAS
SUPERCONDUTORAS
Luiz Felipe Correa de Sa Santos Ribeiro
PROJETO DE GRADUACAO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE
DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETRICA DA ESCOLA
POLITECNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSARIOS PARA A OBTENCAO DO
GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
Prof. Rubens de Andrade Jr., D.Sc
Flavio Goulart dos Reis Martins, M.Sc
Eng. Alexander Polasek, D.Sc
Prof. Felipe Sass, D.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
FEVEREIRO DE 2017
Ribeiro, Luiz Felipe Correa de Sa Santos
Aprimoramento de Sistema de Caracterizacao de Fitas
Supercondutoras / Luiz Felipe Correa de Sa Santos
Ribeiro. – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politecnica, 2017.
XIII, 50 p.: il.; 29, 7cm.
Orientadores: Rubens de Andrade Jr.
Flavio Goulart dos Reis Martins
Projeto de Graduacao – UFRJ/Escola Politecnica/
Departamento de Engenharia Eletrica, 2017.
Referencias Bibliograficas: p. 44 – 45.
1. supercondutor. 2. Caracterizacao. 3. Sistema
de medidas. 4. fitas 2G. I. de Andrade Jr., Rubens
et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politecnica, Departamento de Engenharia Eletrica. III.
Aprimoramento de Sistema de Caracterizacao de Fitas
Supercondutoras.
iii
Agradecimentos
Agraco em primeiro lugar a Deus, pois sem ele nada seria. E Dele que tiro minhas
forcas e por Ele sou motivado a fazer o bem. Obrigado por criar oportunidades
mesmo quando eu nao faco por onde.
A meus pais, Luiz e Margarida, que moldaram meu carater e minha educacao,
que pensaram no meu futuro quando nem eu pensava. Voces que me introduziram
a engenharia e foram minha inspiracao durante todo o trajeto.
A meu irmao, Luiz Henrique, por ser o companheiro em quem posso sempre
confiar, mesmo quando brigamos. A minha vo, Laura, que sempre tenta animar o
ambiente em qualquer cenario, obrigado pelo carinho.
A meus tios, tias, primos e primas, que sao muitos para serem nomeados,
agradeco por manterem nossa famılia una. Por mais distantes que sejam suas casas,
sempre estarao comigo.
A meu amigo, Filipe, que me ensinou o significado de amizade e que esteve
ao meu lado nao importa o que acontecesse. E a todos meus amigos, da rua, da
faculdade, da igreja, do colegio e do mundo, a quem devo otimos momentos.
Agradeco tambem a meus mestres, que me apontaram na direcao certa toda vez,
desde o ensino fundamental. A todos que saciaram e aumentaram minha curiosidade,
de forma a fazer procurar o conhecimento.
Agradeco tambem ao LASUP e seus membros por me fornecer momentos de
aprendizados e amizade. Pela oportunidade me dada e os votos de confianca. Gos-
taria de enfatizar meu agradecimento a meus mentores, professor Rubens e Flavio
que me guiaram e guiam ao longo de minha caminhada.
iv
Ao CEPEL e o Laboratorio de Supercondutividade tambem agradeco pelas opor-
tunidades e pelo companherismo, a toda sua equipe, em especial a Polasek, por me
instruir e me guiar, e a Pedro, por dividir comigo as alegrias e frustracoes do traba-
lho.
”The joy is in the jorney rather
than the destination.”
- Stephen King
v
Resumo do Projeto de Graduacao apresentado a Escola Politecnica/UFRJ como
parte dos requisitos necessarios para a obtencao do grau de Engenheiro Eletricista
APRIMORAMENTO DE SISTEMA DE CARACTERIZACAO DE FITAS
SUPERCONDUTORAS
Luiz Felipe Correa de Sa Santos Ribeiro
Fevereiro/2017
Orientadores: Rubens de Andrade Jr.
Flavio Goulart dos Reis Martins
Departamento: Engenharia Eletrica
Esse trabalho tem a finalidade de desenvolver um programa de gerenciamento de
equipamentos visando a melhora do sistema de aquisicao existente no Laboratorio
de Supercondutividade do CEPEL. A motivacao vem da necessidade de se adqui-
rir medidas mais rapidas em fitas supercondutoras para minimizar a influencia de
efeito termico nos resultados, permitindo alcancar nıveis mais altos de corrente sem
degradar a amostra. O programa foi desenvolvido utilizando o software LabView
para fazer a comunicacao, atraves de GPIB, entre um computador, uma fonte de
corrente e um nanovoltımetro. Com esse programa foram realizados ensaios de va-
lidacao e caracterizacao de supercondutores em que e possıvel mostrar que o objetivo
do trabalho foi alcancado.
vi
Abstract of Graduation Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Electrical Engineer
IMPROVEMENT OF CHARACTERIZATION SYSTEM OF 2G
SUPERCONDUCTOR TAPES
Luiz Felipe Correa de Sa Santos Ribeiro
February/2017
Advisors: Rubens de Andrade Jr.
Flavio Goulart dos Reis Martins
Department: Electrical Engineering
This project consists in the development of a equipment management program to
improve the acquisition system present in CEPEL’s Superconductivity Laboratory.
Its motivation lies in the necessity of acquiring faster measurements in supercon-
ductors tapes in order to minimize the influence of thermal effects in its results,
allowing to reach higher currents levels without degradation in the sample. The
program was developed using LabView software to communicate, through GPIB,
between the computer, a current source and a nanovoltmeter. Tests were done us-
ing this program in order to check its operation and applicability in characterization
of superconductor samples.
vii
Sumario
Lista de Figuras x
Lista de Tabelas xiii
1 Introducao 1
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Organizacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Supercondutividade 4
2.1 Historico da Supercondutividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Tipos de Supercondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Fitas Supercondutoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Equipamentos e Metodologia 10
3.1 Equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Fonte de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 Nanovoltımetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.3 Porta Amostra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.4 Fita Caracterizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.5 Interface entre os equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.1 Antigo Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.2 Novo Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
viii
4 Resultados 36
4.1 Levantamento do pulso gerado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Ensaio de precisao da medida de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Ensaios de Validacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 Caracterizacao da fita supercondutora . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Conclusoes e Trabalhos Futuros 42
Referencias Bibliograficas 44
A Datasheet do Kapton 46
ix
Lista de Figuras
2.1 Regiao crıtica de um supercondutor, retirada de [2] . . . . . . . . . . 5
2.2 Diferencas entre os comportamentos dos supercondutores dos Tipos
I e II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Rede de Abrikosov em um superconduto Tipo II[2] . . . . . . . . . . 8
2.4 Diagrama das camadas da fita SCS4050 da SuperPower . . . . . . . . 9
3.1 Foto da fonte de corrente contınua KDC30-500 . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 Foto do nanovoltımetro Keithley 2182A . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3 Vista explodida da base e contatos do porta amostra, retirada de [15] 12
3.4 Vista explodida do porta amostra anterior, retirada de [15] . . . . . . 12
3.5 Esquema dos contatos de tensao do porta amostra anterior, retirada
de [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.6 Vista explodida do porta amostra utilizado . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.7 Foto do porta amostra utilizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.8 Foto do carretel e da fita utilizada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.9 Foto do Adaptador USB/GPIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.10 Esquema da montagem dos equipamentos. . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.11 Aba Set Up do programa antigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.12 Tabela de configuracao de parametros do programa antigo . . . . . . 18
3.13 Aba Ensaio do programa antigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.14 Tabela preenchida com resultado de um resistor no programa antigo . 19
3.15 Exemplo de graficos com resultado de ensaio de um resistor no pro-
grama antigo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
x
3.16 Aba de configuracao do programa novo . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.17 Aba de programacao de corrente do programa novo . . . . . . . . . . 22
3.18 Opcoes da programacao direta de corrente . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.19 Exemplo de requerimento de preenchimento automatico da tabela . . 23
3.20 Exemplo de requerimento de preenchimento automatico da tabela . . 24
3.21 Tabela resultante a cada passo do preenchimento automatico da ta-
bela, da esquerda para direita, passo 1, 2 e 3 . . . . . . . . . . . . . . 24
3.22 Recurso de preenchimento da tabela por importacao por CSV . . . . 25
3.23 Aba de ensaio do programa novo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.24 Realce do canto esquerdo superior da aba de ensaio . . . . . . . . . . 26
3.25 Zoom do centro da aba de ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.26 Realce do canto direito da aba de ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.27 Realce da parte inferior da aba de ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.28 Aba de ensaio apos a realizacao de um teste . . . . . . . . . . . . . . 28
3.29 Janela navegacao para escolha do path do arquivo de texto . . . . . . 29
3.30 Cabecalho criado pela sub-rotina de criacao de arquivo texto . . . . . 29
3.31 Icone da sub-rotina de criacao de arquivo texto com suas entrardas e
saida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.32 Icone da sub-rotina de inicializacao dos equipamentos . . . . . . . . . 30
3.33 Icone da sub-rotina de geracao e aquisicao de pulsos com suas entrar-
das e saıdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.34 Fluxograma da rotina de geracao e aquisicao de pulsos . . . . . . . . 32
3.35 Icone da sub-rotina de preenchimento do arquivo texto com suas en-
trardas e saıda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.36 Exemplo de arquivo texto criado pelo programa . . . . . . . . . . . . 33
3.37 Icone do bloco de desconto de offset com suas entrada e saıda . . . . 33
3.38 Fluxograma da funcao Round Trip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.39 Fluxograma da rotina de ensaio do programa novo . . . . . . . . . . . 35
4.1 Fulso medido no osciloscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
xi
4.2 Foto do resistor de precisao utilizado no ensaios de validacao . . . . . 38
4.3 Foto do resistor de precisao utilizado no ensaios de validacao . . . . . 39
4.4 Resultado do ensaio com todo o espectro da fonte de corrente . . . . 39
4.5 Resultado obtido com o programa novo . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6 Resultado da caracterizacao com o programa novo . . . . . . . . . . . 41
xii
Lista de Tabelas
3.1 Lista dos parametros de configuracao do programa novo . . . . . . . . 21
3.2 Lista dos comandos utilizados para a configuracao do nanovoltımetro 30
3.3 Lista dos comandos utilizados para a configuracao da fonte KDC . . . 30
3.4 Lista dos comandos utilizados para a configuracao da fonte KDC na
sub-rotina de pulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
xiii
Capıtulo 1
Introducao
1.1 Objetivos
Este trabalho tem como objetivo melhorar o sistema de caracterizacao de amos-
tras supercondutoras do CEPEL atraves do uso mais completo das funcionalidades
que os equipamentos, fonte de corrente e nanovoltımetro, oferecem, criando uma
interface mais simples para o usuario e utilizando programacao em modulos.
Este trabalho faz parte da cooperacao entre o Laboratorio de Supercondutivi-
dade do Centro de Pesqueisa em Engenharia Eletrica(CEPEL) e o Laboratorio de
Aplicacoes de Supercondutores da UFRJ (LASUP) que visa uma forma melhorada
de caracterizar os supercondutores para seu estudo em projetos de aplicacoes em
cada laboratorio. Tambem sera feita uma comparacao entre esse programa e o
anterior do CEPEL. Esta comparacao visa mostrar uma melhora significativa na
simplicidade de uso, no tempo de pulso e na abertura para adaptacoes e possıveis
alteracoes.
Foi feito um estudo de sincronismo a fim de minimizar o tempo ocioso ou de
calculo computacional durante a parte ativa do pulso. Apos seu ajuste, foram feitos
ensaios em um resistor de precisao para validacao do programa e em fita 2G de
YBCO para comprovar o funcionamento em amostras supercondutoras.
1
1.2 Motivacao
Supercondutores sao materiais que, em baixas temperaturas, apresentam um
estado da materia em que sua resistividade eletrica e nula. Este fenomeno torna sua
aplicabilidade alvo de diversos estudos dentro de sistemas eletricos. Como resultado
destes estudos, a forma e qualidade de producao dos materiais supercondutores
foram aperfeicoadas, tornando mais barato e mais viavel dirigir estudos com estes
materiais.
Os laboratorios que proporcionaram a viabilidade deste trabalho apresentam
diversas frentes de estudo sobre a aplicabilidade dos supercondutores, podendo res-
saltar os estudos de mobilidade urbana por meio de levitacao magnetica do LASUP,
condensados no trem, ja em operacao, MagLev Cobra[1][2], que visa um trans-
porte urbano de alto rendimento energetico com impacto ambiental mınimo e sem
emissao de gases poluentes. Alem disto, o Laboratorio de Supercondutividade do
CEPEL apresenta uma linha de estudo voltada para rede eletrica, principalmente
sobre limitador de correntes de curto circuito supercondutores(SCFCL, do ingles
SuperConductor Fault Current Limiter) realizados no CEPEL. Neste tema pode-se
destacar alguns trabalhos sobre simulacoes de transientes SCFCL [3] e estudos de
isolamentos entre espiras de bobinas supercondutoras[4].
Para qualquer aplicacao supracitada, e necessario que haja um conhecimento
sobre o material que sera utilizado, tornando necessario descobrir os valores dos
parametros que delimitam o uso do supercondutor. Com isto em mente, este traba-
lho visa garantir uma melhora nestas medidas para que o material possa ser estudado
em condicoes mais extremas, possibilitando a obtencao de suas caracterısticas em
tais condicoes.
1.3 Organizacao
Neste capıtulo foram apresentados os objetivos e a motivacao deste projeto. O
capıtulo 2 descreve o fenomeno da supercondutividade de forma cronologica com
2
um foco, ao final, dos aspectos relacionados a este trabalho. O capıtulo 3 apresenta
primeiramente os equipamentos utilizados seguidos pela metologia empregada para
realizacao do trabalho. No capıtulo 4, sao apresentados ensaios com o intuito de
validar o programa desenvolvido. O capıtulo 5 contem as conclusoes do trabalho
retiradas dos resultados obtidos e possibilidades de melhora para o sistema para o
futuro. As referencias bibliograficas podem ser encontras no final deste documento,
apos o anexo.
3
Capıtulo 2
Supercondutividade
2.1 Historico da Supercondutividade
A descoberta da supercondutividade data do ano de 1911, quando o fısico ho-
landes Heike Kamerlingh Onnes, utilizando seu conhecimento na liquefacao de Helio
lıquido [5], que ocorre a 4,2 K, estudava resistencia em metais a baixas tempera-
turas. Ao resfriar Mercurio, Onnes esperava que hovesse resistencia residual ate
mesmo em 0 K por ser impuro[6], porem uma queda repentina ocorreu em sua re-
sistencia levando-a para o valor zero, em 4,15 K[7, 8], Onnes batizou esse fenomeno
de supercondutividade. Na continuacao de seus estudos, Onnes tambem encontrou
este princıpio no Chumbo, a uma temperatura ainda mais elevada, 7,2 K. Com este
conhecimento, ele definiu a temperatura crıtica Tc como a temperatura de transicao
do estado normal para supercondutor em um material.
Em 1914 Onnes descobriu que se um supercontudor e submetido a campos
magneticos muito fortes, mesmo que esteja com sua temperatura abaixo de sua tem-
peratura crıtica, este transita para seu estado normal. O mesmo ocorreu quando, em
seu estado supercondutor, o material tem uma grande densidade de corrente apli-
cada em si. Destes estudos foram definidas mais duas limitantes para um material
supercondutor: sua intensidade de campo magnetico crıtica Hc e sua densidade de
corrente crıtica Jc. Esta trindade de grandezas delimita a chamada regiao crıtica,
ilustrada pela figura 2.1. Para que esteja em seu estado supercondutor, o material
4
deve estar dentro da regiao delimitada, logo nenhum dos valores de densidade de
corrente, campo magnetico ou temperatura pode superar seu ponto crıtico.
Figura 2.1: Regiao crıtica de um supercondutor, retirada de [2]
Houve, entao, uma busca por materiais supercondutores com temperaturas
crıticas cada vez mais elevadas, visto o alto custo e a difıcil producao do Helio
liquido. Ate este ponto, os supercondutores podiam ser considerados condutores
perfeitos, porem, em 1933, os cientistas Meissner e Ochsenfeld observaram que esses
materiais tambem se comportavam como diamagneticos perfeitos, ou seja, expul-
sam totalmente o fluxo magnetico de seu interior[9]. O fenomeno levou o nome de
ambos, Efeito Meissner-Ochsenfeld( embora na literatura ocasionalmente apareca
apenas como Efeito Meissner) e a supercondutividade passou a ser considerada um
novo estado da materia.
Dois anos apos a descoberta do diamagnetismo perfeito, os irmaos, Fritz e Heinz
London, sugerem que um campo externo aplicado a um supercondutor faz com que
surjam correntes em sua superficie que resultariam em campos de igual magnitude,
porem no sentido contrario, de forma a anular o campo em seu interior[10]. Mais
5
tarde, Fritz apresenta uma teoria em que existem eletrons e supereletrons no super-
condutor, esses conseguem se locomover pelo material com gasto nulo, ou quase, de
energia.
Em 1950, a dupla Ginzburg e Landau [13] apresentou uma teoria fenomenologica
para explicar a maioria dos fenomenos supercondutores conhecidos no momento. A
teoria, baseada na minimizacao da energia de superficie, alem de cumprir o desejado,
levantou a possibilidade, como apontado pelo fısico teorico Alexei Abrikosov, de uma
divisao entre os tipos de supercondutores conforme as propriedades do material
variassem. Esta divisao sera explicada melhor na secao 2.2.
Em 1957, tres cientistas americanos: John Bardeen, Leon Cooper e Robert Sch-
reiffer, desenvolveram um modelo que explicasse a fısica por detras da supercondu-
tividade, conhecido como Teoria BCS [14]. Essa propos que eletrons se organizavam
em pares, depois denominados Pares de Cooper, para se locomover na superficie dos
supercondutores gerando perdas nulas, corroborando a ideia dos irmaos London.
Mesmo sendo a teoria mais completa sobre o comportamento supercondutor, esta
falha em representar supercondutores de altas temperaturas crıticas, ou seja, Tc >
30 K.
A area de supercondutividade ganhou maior notoriedade apos as pesquisas de
Bednorz e Muller, que em 1986 encontraram supercondutores que tinham sua Tc
elevada, 35K, esses foram denominados High Temperature Supercondutors (HTS).
Em 1987, Paul Chu conseguiu o primeiro supercondutor com Tc acima de 77K, o
oxido de Itrio-bario-cobre, possibilitando a troca do agente resfriante de Helio para
Nitrogenio lıquido. Isso fez com que os gastos nessas pesquisas caıssem, gerando
incentivo para investimentos na area. Desde entao a maior parte das pesquisas em
supercondutores utilizam ceramicas supercondutoras. A liga Y Ba2Cu3O7−δ, recebe
destaque dentre essas ceramicas.
6
2.2 Tipos de Supercondutores
Como foi mencionado, o material em seu estado supercondutor expulsa todo o
campo magnetico que o permeia. Porem, dependendo das propriedades do material,
a energia de superfıcie por area, apos aplicacao de um campo, da interface entre os
meios supercondutor e normal pode ser negativa ou positiva, ou seja, a minimizacao
da energia de superfıcie total pode significar a maximizacao ou minimizacao desta
interface.
Desta forma, foram denominados os supercondutores Tipo I ou supercondutores
moles, os que tendem sempre a expulsar todo o campo de seu interior, ou seja, todo
o material transita para o estado supercondutor, de forma a minimizar a interface
entre os meios supercondutor e normal. A grande maioria dos supercondutores
descobertos no inicio das pesquisas desta area sao caracterizados como Tipo I.
Ja os chamados Tipo II ou supercondutores duros sao os que tendem a maximizar
a interface entre os meios supercondutor e normal apos certo valor de campo e por
isto existem dois valores crıticos de campo para esse tipo de supercondutor: Hc1 e
Hc2. Abaixo de Hc1, o material expulsa todo o campo magnetico de seu interior,
comportanto-se como um Tipo I, enquanto acima de Hc2 o material deixa seu estado
supercondutor. Quando submetidos a campos de intesidades entre Hc1 e Hc2, eles
apresentam o intitulado Estado Misto em que regioes do material nao transitam para
criar “tubos”, chamados vortices ou fluxoides, em que o campo magnetico fluira,
aumentando a interface de transicao. Dos Tipo II, se destacam os ReBCO, oxido
de (terras raras)-bario-cobre, e BSCCO, oxido de bismuto-estroncio-calcio-cobre,
que estao presentes na maior parte dos trabalhos relacionados a HTS no momento.
Os compostos NbTi e Nb3Sn se destacam nessa categoria por serem ligas metalicas,
LTS, ambos com Tc menor do que 20 K. O comportamento dos diferentes tipos de
supercondutores na presenca de campo podem ser vistos na figura 2.2.
O trabalho de classificacao dos supercondutores de Abrikosov, alem de prever
os fluxoides, tambem apresentou o padrao de disposicao deles no supercondutor. O
fısico descobriu que a rede de distribuicao dos vortices, que posteriormente levou o
7
Figura 2.2: Diferencas entre os comportamentos dos supercondutores dos Tipos I eII (figura retirada de [2])
nome de Rede de Abrikosov e esta representada na figura 2.3, seguiria um padrao
hexagonal pelo material e que o fluxo no interior de cada um desses seria quantizada
e de valor φ0 = 2.07 × 10−15 Wb, em que φ0 e um quantum de fluxo magnetico .
Figura 2.3: Rede de Abrikosov em um superconduto Tipo II[2]
2.3 Fitas Supercondutoras
Fitas supercondutoras apresentam duas geracoes sendo: 1G filamentada e 2G
compostas por camadas de diversos materiais, incluindo supercondutor. Desta
forma, ele aparenta ser um fio chato flexıvel, porem, quando levado a temperaturas
8
abaixo de uma Tc, apresenta caracterısticas supercondutoras.
As fitas HTS de primeira geracao (1G) utilizam principalmente BSCCO e prata
em sua producao, isso torna o custo muito alto, pois a prata representa cerca de 70%
da composicao total da fita. Com o surgimento das fitas de segunda geracao (2G),
os fabricantes migraram para producao dela, ja que apresentam mais flexibilidade,
maior capacidade de conducao eletrica sob o efeito de campo com maior potencial
de reducao de custo, a partir da especializacao da producao.
A estrutra da fita supercondutora 2G SCS4050 da SuperPower esta representada
na figura 2.4. Podemos ver que o supercondutor compoe 1% da fita, enquanto o
substrato, que tem o papel de dar sutentacao mecanica pra fita, representa metade
do total. Podemos ver que essa fita tambem depende de prata, mas sua porcao e
de 2% apenas, o cobre nas extremidades serve para adicionar estabilidade termica e
resistencia mecanica a fita.
Figura 2.4: Diagrama das camadas da fita SCS4050 da SuperPower
Junto com os benefıcios das fitas 2G, vieram problemas associados a diminuicao
da resistencia a degradacao mecanica e termica das fitas 1G. A primeira geracao
apresenta uma maior de resistencia a degradacao quando submetida a correntes
elevadas. Por sua vez, as de segunda geracao, quando submetidas a correntes alem
do ponto transicao, se degradam com mais facilidade. Por isso, para estudar essa
regiao e necessario cautela e confiabilidade no sistema de medicao, para que medidas
possam ser feitas de forma precisa e rapida.
9
Capıtulo 3
Equipamentos e Metodologia
3.1 Equipamentos
3.1.1 Fonte de Corrente
Para aplicar correntes no supercondutor, foi utilizada a fonte de corrente contınua
da Argantix modelo KDC30-500, figura 3.1, que e utilizada neste trabalho para
aplicar pulsos de curta duracao com amplitude de ate 500 A e 30 V. Os valores de
correntes aplicadas durante os ensaios sao retirados de um amperımetro interno da
fonte.
Figura 3.1: Foto da fonte de corrente contınua KDC30-500
3.1.2 Nanovoltımetro
Os valores de tensao na amostra supercondutora, para serem confiaveis, preci-
sam ter alta precisao, pois a tensao durante a transicao, na maioria dos casos, nao
10
excede 10−4 V requisitando uma precisao ainda maior para os valores no estado
supercondutor. Por isso, a aquisicao e feita por um Nanovoltimetro da Keithley
modelo 2182A, mostrado na figura 3.2, capaz de medir numa escala de 10nV em um
perıodo de um ciclo da linha, aproximadamente 16,7 ms em 60 Hz.
Figura 3.2: Foto do nanovoltımetro Keithley 2182A
3.1.3 Porta Amostra
Versao anterior
O porta amostra anterior[15] era formado por uma barra de cobre coberta por
isolante eletrico Kapton, cujas caracterısticas podem ser vistas no Anexo, com di-
mensoes de 300×20×15 mm, que serve como sustentacao do suporte. Nela, a fita
supercondutora e presa por pressao por dois contatos de corrente, tendo a superfıcie
de contato com a fita coberta por uma folha de Indio. A figura 3.3 mostra a vista
explodida dessa porcao do porta amostra.
Outra barra de cobre isolada, com 150×20×15 mm, e fixada de forma a sandui-
char a fita para fornecer estabilidade termica. Os contatos de tensao sao fixados
em parafusos de inox alocados em furos na ancora termica que pressionam a fita
mediados por uma pequena folha de Indio, esses furos sao preenchidos por EPoX
para isolar os contatos da barra, isso permite contatos sempre equidistantes sem a
necessidade de soldar em cada amostra. A figura 3.4 representa a vista explodida
do porta amostra enquanto a figura 3.5 mostra mais detalhadamente o contato de
tensao.
11
Figura 3.3: Vista explodida da base e contatos do porta amostra, retirada de [15]
Figura 3.4: Vista explodida do porta amostra anterior, retirada de [15]
12
Figura 3.5: Esquema dos contatos de tensao do porta amostra anterior, retirada de[15]
Implementacoes feitas neste trabalho
Foi adicionada uma fita supercondutora na parte de tras do suporte, assim e
possıvel conduzir a corrente de volta para extremidade onde ela foi aplicada. Isso
facilitou o manuseio do porta amostra, uma vez que so um lado precisa ser conectado
aos terminais, diminuindo o espaco utilizado do porta amostra. Os contatos de
correntes foram colocados na mesma extremidade do porta amostra, isolados um do
outro, enquanto a oposta foi curto circuitada, assim a corrente flui do contato, pela
amostra, para a fita na parte de tras, para o contato oposto da fonte.
Os parafusos que faziam os contatos de tensao foram substituidos por parafusos
de latao, que se mostraram muito melhor tanto no contato com a fita quanto na
facilidade de soldar fios em suas cabecas. As imagens 3.6 e 3.7 mostram , respecti-
vamente, a vista explodida e uma foto do porta amostra.
13
Figura 3.6: Vista explodida do porta amostra utilizado
Figura 3.7: Foto do porta amostra utilizado
3.1.4 Fita Caracterizada
O ensaio realizado com supercondutor foi a caracterizacao da fita HCNK04150-
150122-01 da SuNam que tem camada estabilizante de cobre, revestimento de Kap-
ton e corrente crıtica especificada pelo fabricante de 175 A. A figura 3.8 mostra a
fita.
14
Figura 3.8: Foto do carretel e da fita utilizada.
3.1.5 Interface entre os equipamentos
A coordenacao entre os equipamentos e o computador foi feita por um sistema
IEEE-488, ou GPIB (General Purpose Interface Bus), utilizando um adaptador da
National Instruments para USB, mostrado na figura 3.9.
Figura 3.9: Foto do Adaptador USB/GPIB
A montagem dos equipamentos, tanto a parte de comunicacao quanto a parte
eletrica, esta representada na figura 3.10.
15
Figura 3.10: Esquema da montagem dos equipamentos.
3.2 Metodologia
3.2.1 Antigo Programa
O programa de caracterizacao em uso antes deste trabalho era programado
em Visual Basic for Applications(VBA), sendo sua interface uma planilha do
Microsoft® Excel.
Ele e formado por uma aba para ajuste dos parametros do ensaio, uma aba
definicao dos pontos a serem ensaiados e cada ensaio realizado gera uma nova aba
com os resultados.
Primeira Aba - Set Up
Ao abrir o programa a aba chamada Set Up e aberta. A figura 3.11 mostra a
primeira visao, podendo observar que ela e composta por uma tabela, um fluxograma
16
e a representacao de um pulso com algumas observacoes.
Figura 3.11: Aba Set Up do programa antigo
Tabela de Configuracao
A tabela desta aba, ampliada na figura 3.12, serve para que possam ser adicio-
nados os parametros de ensaio. Pode-se notar que o programa foi adaptado de um
outro sistema, pois as celulas B2:C2 e A5 fazem mencao a um equipamento, para
qual o programa foi desenvolvido, o picoamperımetro da Keithley.
Nesta aba, e possıvel configurar o tempo de pulso( celula C6), porem o tempo
configurado nao corresponde ao tempo medido, como sera mostrado no capıtulo 4.
Esse tempo e um dos maiores motivadores deste trabalho, ja que o tempo de pulso,
alem de nao ser o esperado, e muito elevado, impossibilitando medidas com altos
nıveis de correntes.
17
Figura 3.12: Tabela de configuracao de parametros do programa antigo
Segunda Aba - Ensaio
Esta aba consiste de quatro graficos vazios, uma tabela com um botao RUN e
uma tabela com cabecalho, mas dados em branco. A imagem da tela ao ingressar
nessa aba pode ser vista na figura 3.13.
Aba de Resultado
Apos a conclusao de um ensaio, uma aba de resultado, que consiste na aba Ensaio
com os dados inseridos na tabela e nos graficos, e gerada.
Um exempo de tabela e graficos preenchidos apos a realizacao de um ensaio estao
demonstrados nas figuras 3.14 e 3.15, respectivamente.
18
Figura 3.13: Aba Ensaio do programa antigo
Figura 3.14: Tabela preenchida com resultado de um resistor no programa antigo
19
Figura 3.15: Exemplo de graficos com resultado de ensaio de um resistor no pro-grama antigo
3.2.2 Novo Programa
O novo programa foi desenvolvido inteiramente neste trabalho utilizando o soft-
ware LabView da National Instruments, este programa foi escolhido pelas funciona-
lidades de programacao serem voltadas para o controle de equipamentos.
O programa foi feito utilizando subrotinas, que no LabView sao chamados blocos
ou VI( por sua extensao “.vi”), isso o torna facilmente editavel e adaptavel. Os
blocos podem ser alterados ou substituidos por outros, com mesmas entradas e
saıdas, sem que o programa pare de funcionar. A motivacao disso e que o programa
possa ser transferido e adaptado para os equipamentos do LASUP e que, na troca
de um equipamento, o programa nao se torne obsoleto.
Principal
Aqui esta relatada a parte de interface, as rotinas e sub-rotinas do programa
desenvolvido neste trabalho. A interface com o usuario e composta de 3 abas: Con-
figuracoes, Programacao de Corrente e Ensaio. O idioma utilizado no programa e o
ingles, isto foi feito com o intuito de facilitar a leitura do programa para estrangeiros,
ja que o CEPEL os recebe constantemente.
20
Configuracoes
A primeira aba, Configuracoes, existem apenas 5 parametros de configuracao do
pulso. Esses estao dispostos com suas funcoes na tabela 3.1 e mostrados na figura
3.16. A funcionalidade Round Trip presente no item 5 da tabela sera explicada mais
a frente.
Tabela 3.1: Lista dos parametros de configuracao do programa novo
N Nome Descricao
1 Sample Length (mm)Tamanho da amostra parao calculo do campo crıtico
2 Max Electric Field (uV/mm)Criterio de campo eletrico maximo
para o calculo do campo crıtico
3 Pulse Duration (ms) Tempo requisitado de pulso
4 Time Between Pulses (ms) Tempo entre os pulsos
5 Round Trip Stop Voltage (V) Tensao de parada para o Round Trip
Figura 3.16: Aba de configuracao do programa novo
Programacao de Corrente
A segunda aba e responsavel pela determinacao dos valores de correntes a serem
ensaiados, nela estao presentes tres retangulos com opcoes para a configuracao das
correntes e uma tabela, como mostrado na figura 3.17.
21
Figura 3.17: Aba de programacao de corrente do programa novo
Existem duas formas de programar as correntes: programacao direta e preenchi-
mento de tabela. A opcao de Programacao Direta nao preenche a tabela na direita.
Ela e utilizada como meio rapido de ensaio e so usa pontos equidistantes exportados
direto para a aba Ensaio. Nesta opcao selecionamos a corrente inicial, o incremento
de corrente a cada ponto e o numero de pontos a serem ensaiados. Na figura 3.18
pode-se ver as opcoes supracitadas ampliadas.
Figura 3.18: Opcoes da programacao direta de corrente
A tabela oferece tres tipos de preenchimentos: manual, automatico ou importar
de um arquivo CSV. A tabela e editavel linha a linha e qualquer valor pode ser
alterado manualmente pelo usuario.
Abaixo da programacao direta, ha uma area reservada ao preenchimento au-
tomatico da tabela, mostrado na figura 3.19. Essa parte do programa se comporta
como a Programacao Direta, com a diferenca de preencher a tabela ao lado e com a
opcao de comecar a preencher com um passo diferenciado em um ponto a escolha.
22
Isso permite utilizar incrementos diferentes ao longo dos pontos do ensaio, o que se
e util, ja que a parte do ensaio antes da transicao do supercondutor para o estado
normal nao precisa ser tao refinada como a transicao e a subida de tensao desta
transicao.
Figura 3.19: Exemplo de requerimento de preenchimento automatico da tabela
Apos definir o ponto inicial e a progressao aritmetica com qual preencher a
tabela, o botao com a inscricao Fill deve ser pressionado para que os pontos sejam
adicionados na tabela. Caso o valor do ındice esteja no meio da tabela, os novos
valores de corrente preencherao as lacunas no meio da tabela sem substituir. Existe
tambem um botao para que a tabela seja limpa.
Para exemplificar o funcionamento, a figura 3.20 mostra tres passos de insersao
de dados da tabela por preenchimento automatico enquanto a figura 3.21 mostra as
tabela a cada passo.
23
Figura 3.20: Exemplo de requerimento de preenchimento automatico da tabela
Figura 3.21: Tabela resultante a cada passo do preenchimento automatico da tabela,da esquerda para direita, passo 1, 2 e 3
Como ultimo recurso de preenchimento da tabela de corrente planejada, tem-
se a importacao por CSV, mostrado na figura 3.22. Ao escolher o arquivo a ser
importado, o programa limpa a tabela destino e preenche com os dados da primeira
24
coluna do arquivo.
Figura 3.22: Recurso de preenchimento da tabela por importacao por CSV
Aba de Ensaio
A terceira aba, Ensaio, e responsavel por ordenar o inıcio do ensaio e mostrar
seu progresso. A figura 3.23 mostra a aba e seus itens serao explicados a seguir.
Figura 3.23: Aba de ensaio do programa novo
No canto esquerdo superior existe uma caixa com as duas opcoes de esco-
lha dos pontos para o ensaio, programacao direta e tabela, ao lado de um botao
liga/desliga para a funcionalidade Round Trip e uma caixa numerica com o valor
de seu parametro, essa funcionalidade esta detalhada mais a frente junto com as
rotinas e sub-rotinas do programa. Um realce desta area pode ser visto na figura
3.24.
No centro da aba, estao localizados, de baixo para cima, os botoes para iniciar o
ensaio e o de parada, um grafico para acompanhamento do ensaio, que e atualizado
a cada pulso, um indicador com o valor de Tensao Crıtica da amostra, calculada a
25
Figura 3.24: Realce do canto esquerdo superior da aba de ensaio
partir dos valores da primeira aba, e um indicador que pisca enquanto o ensaio esta
sendo realizado. A figura 3.25 mostra em destaque essa regiao.
Figura 3.25: Zoom do centro da aba de ensaio
Do lado direito desta aba, estao a tabela de Corrente Desejada, a tabela com os
26
dados dos pulsos e um vetor com o ultimo ponto ensaiado. A tabela de corrente e
preenchida antes do ensaio, apos se apertar o botao com inscricao Import no canto
esquerdo superior e serve para se conferir se o ensaio esta correto. A tabela de
resultados e o vetor servem para acompanhar o ensaio durante o mesmo. A figura
3.26 e um destaque dessa area.
Figura 3.26: Realce do canto direito da aba de ensaio
Na parte inferior da tela, ha um array, mostrado na figura 3.27, com o tempo de
inıcio de cada ciclo de pulso( tciclo = tpulso + tintervalo), para que se possa certificar
que o tempo de ciclo esta de acordo com os estabelecidos na configuracao.
Figura 3.27: Realce da parte inferior da aba de ensaio
A figura 3.28 mostra como a aba parece apos a realizacao de um ensaio.
27
Figura 3.28: Aba de ensaio apos a realizacao de um teste
Ensaio
Nesta parte serao apresentadas e explicadas as sub-rotinas, a funcionalidade
Round Trip e a rotina de ensaio, nesta ordem.
Sub-rotina - Criando Arquivo Texto
A sub-rotina de criar arquivo de texto, intitulada CreateTXT, tem como entrada
as configuracoes do ensaio e como saıda a referencia do arquivo criado, esta referencia
e o endereco do arquivo para o LabView, sendo o que possibilita as operacoes no
“.txt”. Quando executada, essa sub-rotina abre uma janela, figura 3.29, pedindo o
path do arquivo de texto que sera criado e, com isto, o gera ja com um cabecalho,
mostrado na figura 3.30. Na figura 3.31 podemos ver o ıcone desta sub-rotina dentro
do LabView.
28
Figura 3.29: Janela navegacao para escolha do path do arquivo de texto
Figura 3.30: Cabecalho criado pela sub-rotina de criacao de arquivo texto
Figura 3.31: Icone da sub-rotina de criacao de arquivo texto com suas entrardas esaida
Sub-rotina - Inicializacao dos Equipamentos
A sub-rotina de inicializacao dos equipamentos, intitulada Init, cujo ıcone esta na
figura 3.32, e responsavel pela configuracao da fonte de corrente e do nanovoltımetro
antes do ensaio e nao apresenta entradas ou saıdas. Os comandos utilizados nesta
sub-rotina estao dispostas nas tabelas 3.2 e 3.3 para nanovoltımetro e fonte, respec-
29
tivamente.
Figura 3.32: Icone da sub-rotina de inicializacao dos equipamentos
Tabela 3.2: Lista dos comandos utilizados para a configuracao do nanovoltımetro
Comando Valor Descricao
*RST - Reseta o voltımetro para as configuracoes de fabrica
TRIG:SOUR BUS Faz com que o voltımetro responda a trigger pelo GPIB
TRIG:DEL 0.200Da um delay de 200 ms entre o trigger
e o comeco da aquisicao
TRAC:CLE - Limpa o buffer do nanovoltımetro
VOLT:NPLC 1Estabelece o tempo de aquisicao para um
ciclo da rede (aprox. 16.67 ms)
VOLT:RANG 0.01 ou 0.1Estabelece a escala do voltımetro em 10 ou 100 mV,
dependendo da amostra
INIT:CONT OFFFaz com que o nanovoltımetro meca
apenas uma vez por trigger
Tabela 3.3: Lista dos comandos utilizados para a configuracao da fonte KDC
Comando Valor Descricao
*RST - Reseta a fonte para as configuracoes de fabrica
CURR 0 Define a corrente de saida para 0 A
OUTP ON Liga o output da fonte
E possivel notar que a quantidade de comandos enviados ao voltımetro e signi-
ficativamente maior do que a da fonte, isso se da pelo fato do nanovoltimetro nao
ter configuracoes que se alteram ao longo do ensaio, enquanto a fonte deve ter os
parametros de tempo e amplitude de pulso estabelecidos a cada pulso.
Sub-rotina - Geracao e Medicao de Pulsos
Esta sub-rotina, intitulada PulseVxI, e a responsavel por cada pulso em um
ensaio, ela tem como entradas o tempo e o valor de corrente no pulso e retorna
30
a corrente medida, a tensao medida e a copia do tempo de pulso desejado, como
ilustrado na figura 3.33 com o ıcone do VI no LabView. A saıda de tempo se da pelo
fato de mesmo que o sistema seja incapaz de medi-lo, no caso de uma mudanca nos
equipamentos ou adaptacao para outro sistema, que possibilite essa medida, nao ha
de modificar todo o programa para utiliza-la.
Figura 3.33: Icone da sub-rotina de geracao e aquisicao de pulsos com suas entrardase saıdas
Nessa parte do programa, a fonte e configurada utilizando os comandos da tabela
3.4, onde I e t sao a corrente e o tempo do pulso, respectivamente. O nanovoltımetro
recebe apenas um comando de inicializacao(INIT ), que tem a funcao de preparar o
nanovoltımetro para receber um acionamento (trigger).
Tabela 3.4: Lista dos comandos utilizados para a configuracao da fonte KDC nasub-rotina de pulso
Comando Valor Descricao
CURR:MODE LISTColoca o output da fonte de forma a percorrer
os valores de uma lista
TRIG:SOUR BUS Faz com que a fonte responda a trigger pelo GPIB
LIST:COUN 1Estabelece que a lista de corrente seja percorrida
apenas uma vez
LIST:STEP AUTOFaz com que a corrente mude de valor apos
um tempo determinado
LIST:DWELL 0.1, t, 0.5 Estabelece que valores de corrente persistam por 0.1, t e 0.5 s
LIST:CURR 0, I, 0 Atribui os valores da lista de corrente como 0, I e 0
INIT - Prepara a fonte para receber um trigger
Um comando de acionamento (*TRG) e enviado a cada um dos equipamen-
tos, fazendo com que eles comecem o que foram configurados para fazer. Apos
um tempo de espera (delay), a fonte recebe um comando de medicao de corrente
(FETC:CURR? ). O nanovoltımetro recebe entao um comando de leitura dos dados
em sua memoria (DATA:FRESH? ), que sao resultados do trigger enviado.
31
Para que haja sincronismo entre as aquisicoes e o pulso, foram programados
delays nos equipamentos. O nanovoltımetro foi configurado internamente com o
delay, como visto na tabela 3.2, mas a fonte nao tem essa funcionalidade e o teve
programado no formato de tempo ocioso antes de requisitar a medida. As aquisicoes
do sistema sao feitas por meio de uma media de diversas amostras, tanto na fonte
quanto no voltımetro. Isso torna o ajuste do delay muito sensıvel, uma vez que toda
a medida deve estar na parte estavel do pulso.
O fluxograma presente na figura 3.34, ilustra o bloco discutido.
Figura 3.34: Fluxograma da rotina de geracao e aquisicao de pulsos
Sub-rotina - Insercao de Dados no Arquivo Texto
Esta sub-rotina, intitulada WriteTXT, adiciona os valores de cada pulso a um
arquivo texto, enquanto o ensaio esta rodando. Isso e importante porque caso o
ensaio seja parado, os dados coletados ja foram salvos. As entradas deste bloco sao
tensao medida, corrente desejada, corrente medida, tempo de pulso e a referencia do
arquivo texto. Como saıda, existe apenas a referencia atualizada do mesmo arquivo.
A figura 3.35 apresenta o ıcone do bloco com suas entradas e saıda.
Caso seja a primeira iteracao, essa sub-rotina e tambem responsavel por criar a
legenda da tabela onde serao inseridos os dados. A figura 3.36 mostra um exemplo
32
Figura 3.35: Icone da sub-rotina de preenchimento do arquivo texto com suas en-trardas e saıda
da legenda e dos dados inseridos, logo abaixo do cabecalho criado pela sub-rotina
responsavel por ele.
Figura 3.36: Exemplo de arquivo texto criado pelo programa
Sub-rotina - Desconto do Offset
Essa sub-rotina, intitulada Offset, retira o offset da tensao medida, mede a tensao
logo apos o pulso e retira do valor medido no bloco de aquisicao. Esse bloco se faz
necessario pela precisao do nanovoltımetro, pois a calibracao do mesmo e muito
sensıvel ao ambiente e pode alterar por efeito termico. A entrada e saıda do bloco
sao a tensao antes e depois do ajuste, como mostrada na figura 3.37 junto ao ıcone.
Figura 3.37: Icone do bloco de desconto de offset com suas entrada e saıda
33
Funcionalidade - Round Trip
Esta opcao de ensaio pode ser ligada ou desligada. Quando ligada, apos atingir
o crıterio de parada, o ensaio toma um passo negativo, ajustavel na segunda aba,
ao lado do seu botao liga/desliga( figura 3.24), ate que encontre um novo criterio de
parada, definido na opcao 5 da aba de configuracao(figura 3.16).
Esta funcionalidade, junto com a tabela editavel de programacao de corrente,
faz com que as curvas levantadas das amostras supercondutoras sejam muito bem
definidas num unico ensaio, diminuindo a quantidade de ensaios a serem refeitos
para refinamento.
A figura 3.38 apresenta um fluxograma ilustrando o Round Trip.
Figura 3.38: Fluxograma da funcao Round Trip
Rotina - Ensaio
A rotina de ensaio, iniciada ao apertar o botao verde da aba de Ensaio, esta
ilustrada pelo fluxograma da figura 3.39 onde as sub-rotinas e funcionalidades ja
discutidas aparecem apenas com o nome dado a elas.
Com o programa desenvolvido e equipamentos apresentados ao longo deste
capıtulo, foram realizados diversos ensaios para que pudesse comprovar que o obje-
34
Figura 3.39: Fluxograma da rotina de ensaio do programa novo
tivo deste trabalho foi alcancado. Os resultados desses estao presentes no capıtulo
a seguir.
35
Capıtulo 4
Resultados
Neste capıtulo sao apresentados resultados conseguidos com o programa novo,
de forma a comprovar sua funcionalidade, e resultados do programa antigo, para
que possam ser comparados.
4.1 Levantamento do pulso gerado
Este ensaio foi feito para que pudesse ser conhecido o formato de onda gerado
pela fonte e, com isso, saber se a corrente demandada da fonte corresponde a forma
requisitada, em relacao ao tempo e amplitude do pulso.
A figura 4.1 mostra a forma de onda do pulso gerado medido com um osciloscopio
e uma ponteira de corrente de efeito Hall.
Dessa imagem e possivel ver que o pulso dura em torno de 120 ms, partindo de
0 A, subindo ate 80 A e voltando a 0 A. Porem acima do valor pedido permanece
apenas por menos de 90 ms dos quais 25 fazem parte de um sobressalto de 25%. Com
isso, a parte do pulso que nos interessa representa apenas 65 ms ou 54% do pulso.
Embora o pulso apresente uma grande diferenca em relacao ao semiciclo positivo
uma onda quadrada, o qual se esperava, o programa foi desenvolvido levando em
consideracao esse comportamento, considerando assim, o pulso acima como um pulso
aceitavel de 100 ms, ja que, mesmo com sobressalto, a maior parte do pulso esta no
patamar desejado.
36
Figura 4.1: Fulso medido no osciloscopio
A corrente, a despeito do sobressalto, tambem foi satisfatoria, uma vez que seu
valor apresenta um erro de 1% do valor desejado em seu equilibrio.
4.2 Ensaio de precisao da medida de corrente
A medida de corrente para ensaios, quando seu nıvel e baixo e o tempo de pulso
e de 100 ms, o mınimo alcancavel, mostrou-se pior do que o resto. Por isso, foi
feita uma analise de precisao na fonte com correntes de 10 a 370 A com passo de 10
A. O ensaio foi conduzido pela repeticao da mesma corrente 20 vezes e com esses
resultados foi calculado o desvio padrao de cada valor de corrente, esse resultado
esta disposto na figura 4.2.
E possivel ver que os valores de correntes baixos geram uma dispersao grande na
aquisicao da mesma e que isso nao persiste em valores acima de 50 A, que apresentam
desvio padrao menor do que 0.4. No entanto, como as fitas supercondutoras tem, em
sua maioria, uma corrente crıtica acima de 100 A. Isso se torna pouco significativo
nos ensaios para os quais o programa foi designado.
37
Figura 4.2: Foto do resistor de precisao utilizado no ensaios de validacao
Essa falha na aquisicao se da pela inconsistencia na demora da fonte para gerar os
pulsos de baixas correntes, logo os delays discutidos no capıtulo 3, na parte referente
ao bloco PulseVxI, nao sao precisos para esses valores. Por exemplo, caso a fonte
gere o pulso antes do esperado, a aquisicao levara em conta parte da descida e o
valor final sera menor do que o real.
4.3 Ensaios de Validacao
Para os proximos ensaios, foi utilizado, um resistor de precisao de 60 mV para
1000 A. A figura 4.3 mostra uma foto dele.
O primeiro ensaio de validacao foi realizado com todo o espectro da fonte de
corrente, pedindo correntes de 5 a 500 A com passos de 5 A e 180 ms de duracao
de pulso, de forma a provar que a fonte responde a qualquer corrente dentro do
estabelecido pelo fabricante. A figura 4.4 mostra a curva gerada com este resultado.
Neste resultado, pode-se notar a uma pequena flutuacao no inıcio da curva sobre
o assunto discutido em 4.2. O resultado mostrou ser exatamente o esperado, gerando
uma reta de inclinacao de 59.54 × 10−5Ω.
38
Figura 4.3: Foto do resistor de precisao utilizado no ensaios de validacao
Figura 4.4: Resultado do ensaio com todo o espectro da fonte de corrente
Em seguida, foram feitos ensaios para validar o funcionamento do programa,
primeiramente em 200 ms e depois em 100 ms de largura de pulso, ambos com
Round Trip ligado com decremento de 2 A e crıterio de parada de 1.2 mV( 20 A no
resistor). Esses resultados foram comparados com resultados em que era requisitado
pulsos de 170 e 100 ms com o programa antigo.
Os resultados dos quatro ensaios estao mostrados na figura 4.5. Deve ser aten-
tado que os pulsos requisitados de 170 e 100 ms no programa antigo resultaram em
pulsos de 500 e 300 ms, logo o programa antigo nao e capaz de fornecer uma com-
paracao valida em relacao ao tempo de ensaio, ja que este parametro foi amplamente
superado.
Pode-se reparar pelos ensaios que todos caracterizaram fielmente o resistor,
porem, os de menor duracao de ambos os programas tiveram pontos fora da curva.
39
Figura 4.5: Resultado obtido com o programa novo
O programa antigo apresentou pontos discrepantes do esperado ate o ultimo valor,
de 100 A, enquanto o novo apresenta tal aspecto apenas para algumas correntes
abaixo de 50 A.
As correntes requeridas para os dois programas foram identicas, mas o desen-
volvido neste trabalho apresentou muitos mais pontos ja que o Round Trip estava
ligado, apresentando uma reta muito mais definida.
Para o resultado deste ensaio e possıvel notar que o problema definido na secao
4.2 e de medida e nao no valor de corrente do pulso, pois em ambos os ensaios as
correntes voltaram com passo de -2 ate 19 A. Sendo que, com 100 ms, foi medida
uma corrente 22.96 A e apresentou tensao de 1.129087 mΩ, aproximadamente 18.82
A, ou seja, embora a fonte medisse mais de 22 A, a medida de tensao continuou fiel
ao esperando, mostrando uma corrente bem proxima de 19 A.
4.4 Caracterizacao da fita supercondutora
Com todo o sistema verificado, foi feita uma caracterizacao da fita apresentada
na secao 3.1.4 para os tempos de pulsos de 100, 150 e 200 ms. Esse ensaio tem
40
como finalidade apresentar o comportamento supercondutor de forma a comprovar
que o programa desenvolvido atende ao seu objetivo primario de caracterizar fitas
supercondutoras de forma mais eficaz. O resultado deste esta mostrado no grafico
da figura 4.6.
As correntes definidas nesse ensaio foram de 10 a 130 A com passo de 10 A,
seguidos por passos de 2 A a partir de 132 A ate o fim, onde o Round Trip se
encarrega de decrementar a corrente de 1 em 1 A ate alcancar uma tensao de menos
de 10−6 V.
Figura 4.6: Resultado da caracterizacao com o programa novo
E possivel ver que os tres ensaios apresentam alta repetibilidade nos resultados
ao caracterizar o mesmo ponto de transicao, definindo a mesma curva toda vez. E
valido apontar que os pontos mais espacados no inicio do ensaio torna o ensaio mais
rapido para uma regiao que nao precisa ser refinada, transformando 65 pontos em
13.
Com esses resultados, foi possıvel verificar a funcionalidade do trabalho, apresen-
tando suas limitacoes e as vantagens atraves da discucao dos resultados. Tambem
com eles, serao apresentadas as conclusoes tiradas deste trabalho no capıtulo a se-
guir.
41
Capıtulo 5
Conclusoes e Trabalhos Futuros
Neste trabalho foi desenvolvido um programa para geracao e aquisicao de pulsos,
com a finalidade de viabilizar caracterizacoes melhores, principalmente diminuindo
o tempo de pulso, e facilitar a experiencia do usuario, tornando-a mais intuitiva.
Ensaios foram realizados com esse sistema em um resistor de precisao e esses
comprovaram o funcionamento adequado do sistema para todos os parametros estu-
dados, com a excessao da precisao da medicao de corrente quando seus valores estao
abaixo de 50 A, dada pela falha de constancia do tempo antes da geracao do pulso,
resultando em medidas parcialmente fora da faixa estavel de corrente.
As possibilidades de programacao direta ou por tabela, manualmente, por pre-
enchimento automatico ou por importacao de arquivo CSV, para o requerimento de
corrente faz com que os ensaios possam ser programados de forma rapida, para um
ensaio de rotina, ou customizavel, caso haja necessidade de refinar alguma regiao
do ensaio. O uso do Round Trip faz com o que os ensaios possam ser ainda mais
refinados, abrindo possibilidade para um estudo de degradacao apos ensaios.
Pode-se pensar para o futuro, na melhora dos equipamentos, principalmente
na adicao de algo como uma placa de aquisicao para a leitura de corrente atraves
da tensao um em resistor de precisao, para garantir uma boa acuracia em todas as
faixas de correntes e possibilitar a medida de tempo de pulso. Um equipamento deste
tambem pode ser usado para fornecer uma medida de tempo, que nao e possıvel com
os equipamentos em uso. Tambem e viavel pensar em usar o sistema em modulo do
42
programa para adaptar o mesmo para o LASUP, colaborador do projeto. Embora
mais dıficil, uma melhora na geracao do pulso, que gere o pulso com um aspecto
mais quadrado, pode melhor ainda mais o desempenho do sistema.
43
Referencias Bibliograficas
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Apendice A
Datasheet do Kapton
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