Università degli Studi di Udine

Università degli Studi di Udine - Piano Nazionale Lauree Scientifiche
Progetto IDIFO5 - Scuola Nazionale di Fisica Moderna per Insegnanti
SNFMI – Università di Udine, 8-12 settembre 2014
Cognome____________________________Nome ____________________________ Data_______________________
SCHEDA: PCK –SUPERCONDUTTIVITÀ
1. SOSPENSIONE E LEVITAZIONE
Alcuni studenti analizzano la situazione in figura, in cui quattro magneti ad
anello sono impilati su un’asta di supporto diamagnetica.
Uno studente A sostiene che i magneti stanno levitando uno sull’altro.
Una altra B dice “no è sbagliato! Se levitasse non avrebbe bisogno della
sbarretta
Un’altra studentessa C dice “sì è levitazione, perché la levitazione si può
ottenere o con due magneti a temperatura ambiente, oppure con un magnete e un superconduttore al di
sotto della temperatura critica”
1.1. Commentare ciascuna asserzione degli studenti indicando in particolare quale nodo implica.
2. CADUTA DI MAGNETI ALL’INTERNO DI CONDUTTORI E INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
Alcuni studenti stanno analizzando la seguente situazione. Un magnete cilindrico viene posto sopra a un
anello metallico. Quando viene lasciato cadere il magnete passa attraverso l’anello, producendo in esso
una corrente indotta. Stanno cercando di dare risposta alla domanda: è possibile che il campo indotto
diventi così grande da fermare la caduta del magnete, arrestandolo a mezz’aria?
Uno studente A sostiene: “se si facesse cadere il magnete da molto in alto cadrebbe così velocemente
da produrre una corrente indotta così grande da poterlo anche fermare”
Lo studente B dice: “non credo proprio, il magnete si muove comunque con accelerazione g “
Lo studente C afferma: “secondo me si potrebbe fermare facendo cadere il magnete dentro a un tubo
metallico molto lungo”
2.1 Si dia risposta alla domanda, motivando adeguatamente _____________________________________
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2.2 Commentare ciascuna asserzione degli studenti _________________________________________
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2.3 Quale modello può rendere conto della forza frenante agente sul magnete in caduta che passa dentro
all’anello? _____________________________________________________________________________
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EFFETTO MEISSNER ED EFFETTO PINNING
3. Alcuni studenti effettuano il seguente esperimento. Su un disco di materiale superconduttore,
inizialmente a temperatura ambiente (al di sopra quindi della sua temperatura critica) viene posto un
magnete. Quando si versa dell’azoto liquido sul superconduttore, il magnete si distacca da esso e comincia
a levitare sopra di esso.
Nei due disegni sottostanti sono rappresentate le due situazioni, prima e dopo avere versato l’azoto liquido
sopra al superconduttore.
Magnete
Superconduttore
Vaschetta per l’azoto liquido
3.1 Quale modello fenomenologico può rendere conto del fenomeno?
3.2 Si disegnino le linee del campo magnetico in ciascuna delle due situazioni.
3.3 Si spieghi il criterio con cui sono state disegnate. _____________________________________________
3.4 Quale modello interpretativo spiega il fenomeno? Illustrarne gli elementi di base __________________
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3.5 Si discutano i seguenti commenti di tre studenti che hanno osservato la levitazione del magnete:
Uno studente A dice: “ah, è proprio come nel caso dei magneti ad anello impilati”
Uno studente B replica: “no, piuttosto è come nel caso del magnete che cade sopra all’anello”
Un terzo studente C osserva: “Come può essere come i magneti impilati? Questo magnete sta su da solo!
E non è neppure come il magnete che cade dentro all’anello, altrimenti non si fermerebbe a mezz’aria”
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4. Due studenti, Marco e Giovanni, stanno progettando un esperimento per osservare la levitazione
magnetica di una pastiglia cilindrica di YBCO (un materiale solitamente impiegato nella costruzione di
superconduttori per treni a levitazione magnetica). Il primo studente suggerisce la procedura A): si
raffredda la pastiglia di YBCO con azoto liquido, la si pone sopra a un magnete, si osserva la levitazione. Il
secondo suggerisce la procedura B: si pone il superconduttore sopra al magnete; si raffredda il magnete; si
osserva la levitazione.
4.1 Che cosa accade nei due casi?
Procedura A ________________________________________________________________________
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Procedura B _______________________________________________________________________
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4.2 Sono equivalenti le due situazioni? Discutere analogie e differenze
4.3 Come si può spiegare ciascuna situazione?
4.4 Dopo aver effettuato l’esperimento, secondo la procedura A e secondo la procedura B, i due studenti
dicono:
Marco: “Non c’è alcuna differenza perché in entrambi i casi il campione di YBCO è raffreddato, si ha
comunque interazione tra un magnete e superconduttore, il superconduttore levita”
Giovanni: “Sono profondamente differenti, infatti seguendo la proceduta A c’è repulsione, seguendo la
procedura B c’è attrazione”.
4.4.1 Si commenti ciascuna risposta degli studenti evidenziandone i nodi sottesi
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5. Alla richiesta di spiegare il funzionamento di un treno a levitazione magnetica (Maglev), una classe di
studenti si divide in tre gruppi:
Gruppo A: “Si basa sull’effetto pinning”
Gruppo B: “No si basa sull’effetto Meissner”
Gruppo C: “Si basa su entrambi”
5.1 Chi ha ragione? Spiegare ______________________________________________________________
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5.2 Commentare le risposte discutendo i nodi che ciascuna sottende ___________________________
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6. Ad alcuni studenti, mentre osservano un prototipo di treno MAGLEV, viene richiesto di spiegare come
deve essere costruita la rotaia magnetica affinché il treno leviti in modo stabile.
Quattro studenti disegnano le rotaie magnetiche come segue (il moto del treno avviene
longitudinalmente).
SA)
SB)
N
N
N
N
N
N
N
N
S
S
S
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SC)
SD)
N
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S
S
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S
S
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N
N
N
N
N
S
S
S
S
S
S
S
S
SE)
6.1 Si indichino, se ve ne sono, le rotaie che consentono al treno di levitare stabilmente. Spiegare
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6.2 Si indichino quelle che invece non sono adeguate per fare levitare stabilmente il treno. Spiegare
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7. Un modellino di treno Maglev viene posto sopra a una rotaia magnetica, distanziato da essa da uno
spessore di circa mezzo centimetro. Una volta che il superconduttore montato sul modellino è stato
raffreddato, si toglie lo spessore e si osserva che il treno levita.
7.1. Che cosa ci si aspetta di osservare effettuando le seguenti azioni?
A) Si solleva il modellino _________________________________________________________
B) Si capovolge la rotaia _________________________________________________________
C) Si sospinge il modellino fino in fondo alla rotaia ______________________________________
7.2 Motivare le risposte_____________________________________________________________
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PROPRITÀ ELETTRICHE DEI SUPERCONDUTTORI
8. Come è noto, il riconoscimento dei materiali avviene grazie alle loro proprietà e al cambiamento di tali
proprietà con la temperatura. In merito alla dipendenza della resistività  dalla temperatura tre studenti
sostengono le seguenti tesi:
Studente A: “In un superconduttore la resistività va a zero progressivamente con il diminuire della
temperatura” (sulla lavagna schizza in un diagramma (T,ρ) una retta crescente che passa per l’origine)
Studente B: “Anche secondo me va a zero, ma non passa per l’origine” (sul grafico del compagno traccia
una retta parallela a quella di A che intercetta l’asse delle temperature a T>0 K).
Studente C: “Secondo me il grafico di A è quello di un conduttore ideale. Un superconduttore farebbe una
curva intermedia” (traccia una curva a forma di esse allungata che unisce la retta di A a quella di B)
Studente A: “e che differenza c’è tra un conduttore ideale e un superconduttore?”


Grafico

Studente A
Grafico
Grafico
Studente C
Studente B
T
I tre grafici disegnati dai tre studenti.
T
T
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8.1 Quale evoluzione ci si aspetta per la resistività con la variazione della temperatura? Disegnare e
commentare.
8.2 Commentare grafici e frasi degli studenti indicando gli aspetti per cui le si ritiene corrette e quelli per
cui le si ritiene errate o da completare.
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___________________________________________________________________________________
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PROPRITÀ ELETTRICHE E PROPRIETÀ MAGNETICHE DEI SUPERCONDUTTORi
9. In merito alle proprietà che distinguono un conduttore e in particolare un conduttore ideale con
resistività nulla da un superconduttore, alcuni studenti esprimono le seguenti posizioni :
Studente A: “Sia un superconduttore sia un conduttore ideale hanno resistività nulla, solo che il
superconduttore lo ha a partire da un certo valore critico in giù, il conduttore ideale (se esistesse) avrebbe
una resistività nulla solo a 0 K.
Studente B: “La resistività ρ=0 è la sola proprietà che caratterizza un superconduttore”
Studente C: “In un superconduttore ρ=0, ma anche B=0”.
Studente D: “Un superconduttore ha B=0, ma non necessariamente ρ=0”.
9.1 Che cosa caratterizza un superconduttore rispetto a un qualsiasi conduttore reale o ideale che sia?
Spiegare
9.2 Si commenti ciascuna risposta degli studenti indicando per che cosa la si ritiene corretta e per che cosa
errata.
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CORRENTI PERSISTENTI
10. Uno studente osserva: “B=0 all’interno di un superconduttore, dato che J=0 al suo interno. Non riesco
però a capire come sia possibile che nel superconduttore ci siano delle correnti persistenti”.
Un suo compagno gli spiega: “solo quando il superconduttore è inserito in un circuito esso è attraversato da
correnti persistenti”.
10.1 Come si possono generare correnti persistenti in un superconduttore? _________________________
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11. SUPERCONDUTTORI DI I TIPO E DI II TIPO
Come ben noto esistono superconduttori di I tipo e superconduttori di II tipo.
Uno studente A sostiene che l’unica differenza tra i due tipi di superconduttori è la temperature a cui
avviene la transizione di fase: “molto bassa per quelli del I tipo, relativamente alta per quelli del II tipo”
Un secondo studente B sostiene: ”oltre alla temperatura, anche la resistività, che è proprio zero in quelli del
I tipo e circa zero per quelli del II tipo (infatti dove penetra il campo magnetico c’è alta resistenza e quindi
in media viene una resistenza molto bassa ma non nulla)”
Un terzo studente C sostiene: “resistività è zero in entrambi i casi, mentre sono le proprietà magnetiche che
sono diverse”
11.1 Per quali aspetti si distinguono i superconduttori di I tipo da quelli di II tipo? ____________________
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11.2 Per ciascuna delle posizioni dei ragazzi si individui il nodo che essa sottende e come lo si può
affrontare?
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