UNIVERSITA` DEGLI STUDI DI UDINE Introduzione alla

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI UDINE
Introduzione alla Superconduttività
Sperimentazione didattica
Michela Braida e Marisa Michelini
Introduzione
Il fenomeno della superconduzione è noto dal 1911 quando il professor Onnes, che tre anni prima
era riuscito a produrre la liquefazione dell’elio (T = 402 K = -269 °C) mentre stava studiando le
proprietà elettriche dei metalli a bassa temperatura, nel corso dei suoi esperimenti, osservò che
raffreddando il mercurio a 4 K, anziché misurare un calo progressivo e continuo della resistenza,
come si sarebbe aspettato, misurò un crollo improvviso, con un salto di quattro ordini di grandezza
nell’intervallo di 0.005 K. Era la scoperta di un nuovo stato della materia, lo stato superconduttivo.
Inizialmente le temperature critiche dei superconduttori erano estremamente basse, assai prossime
allo zero assoluto, quindi difficili da raggiungere, ma in epoca più recente, Bednorz e Müller
scoprirono (1986) che un particolare materiale ceramico (un complicato ossido di rame, lantanio e
bario) diventava superconduttore a temperature relativamente elevate (-243°C).
Attualmente, il superconduttore caratterizzato dalla più elevata temperatura critica è un ossido di
bario, calcio, tellurio, mercurio e rame che cessa di opporre resistenza al passaggio di elettroni a 135°C.
Ancora oggi si soffre della carenza di una teoria in grado di interpretare i meccanismi fisici che
sono alla base della superconduzione negli ossidi.
Le teorie che infatti ben interpretavano il fenomeno della “vecchia” superconduzione, quella a basse
temperature, non spiegano in alcun modo la superconduzione degli ossidi, e questa carenza di
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modelli lascia la ricerca sperimentale priva di schemi concettuali in grado di indirizzare gli sforzi di
preparazione di nuovi materiali superconduttori.
In merito all’aspetto tecnologico del fenomeno e alla sua applicazione, oggi le energie sono
convogliate nello sviluppo di dispositivi in grado di sfruttare al meglio il fenomeno della
superconduzione. La possibilità di trasportare corrente senza perdite significative di energia è infatti
solo un aspetto della superconduzione. Le particolari proprietà magnetiche dei superconduttori
possono invece trovare applicazioni pratiche importanti nei cosiddetti fenomeni di levitazione
magnetica, che consentirebbero ai treni di correre senza attrito su binari magnetizzati. Nella
microelettronica, l’assenza di resistenza elettrica apre le porte a nuove generazioni di transistor
veloci, che moltiplicherebbero enormemente le potenzialità di calcolo dei supercomputer che oggi
sono impiegati, tra l’altro, per le previsioni meteorologiche e di altri fenomeni naturali complessi.
Da quanto detto è chiaro che la superconduttività è un tema di grande attualità tanto che
s’incomincia a percepire la necessità di inserirlo nei programmi scolastici.
La finalità che si propone questo lavoro è di introdurre gli studenti alla superconduttività e quindi
essere un punto di partenza per studi più approfonditi relativi alle teorie che spiegano la
superconduttività e incuriosire gli studenti ai vari campi di applicazione che la superconduttività
trova.
Target
Il modulo è stato sperimentato nell’ambito del programma di una classe quinta del “Liceo
Scientifico Teconologico Malignani” di Udine.
Impostazione
Come già detto questo lavoro vuole essere un’introduzione alla superconduttività, a partire
dall’indagine di alcuni fenomeni elettromagnetici noti agli studenti, come l’interazione tra campi
magnetici, l’induzione elettromagnetica, la generazione di correnti e il ruolo giocato dalla
temperatura nei vari fenomeni, mediante una serie di sperimentazioni. Questo percorso porterà ad
indagare sperimentalmente uno dei più evidenti fenomeni legati alla superconduttività che è
l’effetto Meissner, ossia un superconduttore portato al di sotto della temperatura critica, in presenza
di un campo magnetico, espelle il campo magnetico dal suo interno. Tale effetto è alla base della
levitazione di un magnete al di sopra del superconduttore.
Durante il percorso verrà fatto un cenno ai superconduttori del I tipo e del II tipo per i quali, si può
raggiungere la temperatura critica con l’utilizzo di azoto liquido, più economico e facilmente
reperibile dell’elio.
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Approccio
L’approccio consiste nell’indagare e approfondire le conoscenze degli studenti relative alle teorie e
alle leggi dell’elettromagnetismo, che poi ritroveremo nei fenomeni di superconduzione, mediante
osservazioni fenomenologie accompagnate da schede di approfondimento.
Lo scopo è di dare una spiegazione ai fenomeni osservati e quindi di formulare delle ipotesi,
trasformarle in relazioni o espressioni matematiche, proporre dei modelli interpretativi ed infine
confrontare con gli esiti degli esperimenti le previsioni fatte, servendosi del supporto multimediale
del progetto MOSEM
In questo modo gli studenti imparano a verbalizzare le proprie idee e le proprie conoscenze, ad
analizzarle e confrontarle con quelle dei compagni, a sperimentare la validità o non validità delle
proprie affermazioni e di introdurre una “modellizzazione” sia qualitativa che quantitativa.
Strategie
La strategia didattica utilizzata è il ciclo PEC (previsione, esperimento e confronto), ossia l’insieme
delle strategie didattiche che inducano lo studente ad esplicitare le proprie idee e ad esprimere le
proprie strategie di ragionamento al fine di abituarlo a procedere attraverso processi che utilizzano
diversi tipi di abilità.
La fase di “Previsione” induce lo studente ad esplicitare le proprie idee, i propri preconcetti o
misconcetti e nel far questo, affronta il raccordo tra l’espressione in linguaggio naturale e
descrizioni in linguaggi astratti.
La fase di “Esperimento o modello” lo aiuta ad affrontare il problema della confusione tra realtà
fisica e modello che la può descrivere.
Nella fase “ Confronto” giocano un ruolo fondamentale le strategie di ragionamento dello studente,
sia nell’analisi critica dei casi in cui la previsione e i risultati dell’esperimento o del modello non
sono coerenti con la previsione e quindi occorre decidere cosa variare nell’iterazione del ciclo PEC,
sia nei casi in cui c’è accordo ed occorra generalizzare il modello interpretativo.
Il metodo PEC, oltre a far emergere eventuali conflitti cognitivi e quindi permettere allo studenti di
risolverli, gli consente di acquisire la consapevolezza che possono coesistere diversi punti di vista,
disciplinarmente corretti e quindi la capacità di optare per quello che risulta essere più efficace per
la risoluzione del problema. Spesso lo studente ricorre a degli automatismi per risolvere problemi
ed esercizi e non è allenato a riflettere su quale strada sia più conveniente percorrere per inquadrare
il problema.
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Quando lo studente viene posto davanti ad un fenomeno, lo analizza utilizzando modelli diversi,
scientifici e non, e spesso non ne rileva incoerenze e contraddizioni; ciò richiede operazioni di
revisione, riorganizzazione e concettualizzazione delle sue conoscenze.
Questa strategia è fondamentale per il processo di costruzione ed integrazione dei diversi modelli
interpretativi applicati dagli studenti per l’interpretazione di un fenomeno.
Metodologie
La prima fase consiste nel somministrare agli studenti un test d’ingresso su cui devono lavorare
individualmente in classe e che ha lo scopo di indagare le idee e concezioni degli studenti relative
agli argomenti che andremo ad affrontare. Una seconda fase consiste in un a serie di attività e di
esperimenti, corredati da schede di approfondimento che gli studenti dovranno compilare e che
hanno lo scopo di fornire diversi spunti di riflessione su ciò che stanno facendo e perchè. Una terza
fase in cui si analizzano i modelli interpretativi forniti dagli studenti ed emersi dalle schede e si
formalizzano i modelli interpretativi corretti. Una quarta fase in cui viene consegnato agli studenti
un test d’uscita, che è lo stesso test d’ingresso al fine di valutare i progressi nell’apprendimento.
Strumenti
Sono previste delle lezioni frontali, una serie di attività in classe, con il supporto multimediale
relativo alla superconduttività del progetto SUPERCOMET, una serie di esperimenti una parte dei
quali verrà eseguita dagli studenti, mentre la parte che richiede l’utilizzo di azoto liquido sarà
dimostrativa e verrà eseguita dall’insegnante per via delle norme sulla sicurezza. Tutti gli
esperimenti sono corredati da schede di approfondimento.
Prerequisiti
•
Utilizzare i concetti relativi all’elettricità e al magnetismo;
•
Caratteristiche elettriche dei conduttori, semiconduttori e isolanti;
Nodi concettuali
La superconduttività è ancora un argomento poco affrontato nella scuola secondaria superiore, vuoi
perché solo studi recenti si sono dedicati al fenomeno, vuoi perché cela ancora irrisolti misteri. A
causa di ciò le ricerche in didattica della fisica non hanno ancora sondato le difficoltà di
apprendimento legate all’argomento e quindi in letteratura non si trova molto materiale a cui fare
riferimento. L’elenco che segue è stato estrapolato da un articolo dell’ “Operation Physics
American Institute of Physics”, che tratta dei misconcetti dei ragazzi nei diversi ambiti della
scienza.
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•
Le particelle in un solido non si muovono.
•
Le sostanze e le loro proprietà corrispondono a determinati tipi di particelle, pertanto la
formazione di una sostanza con determinate proprietà non è vista come il risultato della
riorganizzazione delle particelle.
Obiettivi didattici
•
Distinguere i diversi tipi di comportamento magnetico delle sostanze;
•
Sviluppare la capacità di costruire interpretazioni dei fenomeni individuando le grandezze
interpretative e il modello formale;
•
Sviluppare il senso della previsione;
•
Confrontare il comportamento dei superconduttori con quello dei conduttori;
•
Conoscere i campi di applicazione dei superconduttori;
5
Mappa
Esclude il
campo
magnetico
in
È nota
Superconduttività
È nota per
Meissner
Effect
Resistività
pressoché nulla
zero
Effetti
quantistici
in
Applicazioni
in
Superconduttori
di tipo I
a
Superconduttori
di tipo II
Materiali ceramici
come
includono
metalli puri
come
YB2Cu3O7
Temperatura
critica
correlata con
Levitazione
magnetica
Campo
magnetico
critico
e con
Mercurio
Densità di
corrente
critica
e
Piombo
che produce
Sono
modellati
da
Teoria
BCS
Basata su
Coppie di
Cooper
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Filo/Contenuti
•
Indagine degli effetti dell’interazione di un magnete con diversi materiali. Scheda 1
Avvicinando materiali diversi ad un magnete, gli studenti individuano e classificano le
diverse tipologie di comportamento.
Tempo richiesto per l’attività: 1 ora.
•
Alcuni esperimenti sui magneti flottanti. Scheda 2
Tempo richiesto per l’attività: 1 ora.
•
Esperimento del magnete in caduta in un tubo di rame. Scheda 4
Il moto del magnete in caduta nel tubo di rame non è un moto di caduta libera per via delle
correnti indotte che circolano in verso tale da opporsi alla causa che le ha generate per via
della legge di Lenz. Se il tubo viene tagliato la caduta del magnete è comunque rallentata
anche se il tempo di caduta è minore rispetto al caso del tubo non inciso.
Tempo richiesto per l’attività: 1 ora.
•
Esperimento dell’Anello di Thompson. Scheda 5
Diminuendo la temperatura, il salto compiuto dall’anello è maggiore, indice di un campo
magnetico più intenso. Ruolo giocato dalla temperatura nel fenomeno.
Tempo richiesto per l’attività: 1 ora.
•
Magnete che levita sul superconduttore. Scheda 6
Evidenza dell’effetto Meissner;
Tempo richiesto per l’attività: 1 ora.
•
Panoramica di quali siano stati gli eventi che hanno portato alla scoperta della
superconduttività, superconduttori di I e II tipo, il comportamento anomalo delle variabili in
gioco;
Tempo richiesto per l’attività: 30 minuti.
•
Applicazioni dei superconduttori
Tempo richiesto per l’attività: 30 minuti.
•
Teoria di Bardeen, Cooper e Schrieffer per i superconduttori di I tipo (a bassa temperatura).
Tempo richiesto per l’attività: 30 minuti.
•
Tempo richiesto per il test d’ingresso somministrato all’inizio e per il test d’uscita
somministrato alla fine: 1 ora + 1 ora.
Esperimenti
•
Interazioni magnetiche tra materiali diversi;
•
Magneti flottanti;
7
•
Magnete in caduta nel tubo di rame;
•
Anello che salta;
•
Levitazione di un magnete sul superconduttore;
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Introduzione alla superconduttività
Premessa
Nel 1908 gli esperimenti dell’olandese Kammerlingh-Onnes sulla liquefazione dell’elio portarono
ad indagare un gran numero di fenomeni nell’intervallo di temperature da 1 K a 14 K.
Uno dei primi esperimenti che egli condusse fu la misura della resistività di numerosi materiali in
funzione della temperatura. Così egli scopri nel 1911 che la resistenza elettrica di un campione di
mercurio puro precipitava drasticamente da 0.11 Ω un poco sopra i 4.2 K a 0 a circa 4.2 K. Questo
crollo avveniva in un intervallo di 0.01 K.
Il fenomeno fu chiamato superconduttività. L’aspetto più notevole di tutti i materiali
superconduttori è che al di sotto di una certa temperatura critica, Tc, la resistenza elettrica si riduce
quasi a zero. Dal tempo della scoperta si è trovato che un gran numero di elementi metallici e leghe
sono superconduttori.
Fra gli elementi a noi più famigliari, per i quali ad una certa temperatura c’è il passaggio allo stato
superconduttore, figurano l'alluminio, con una temperatura critica di 1,19 Kelvin, o il piombo, che
diventa superconduttore a 7,2 Kelvin. Sul fronte delle sostanze composte vale la pena citare, per la
sua ampia utilizzazione in applicazioni commerciali, il niobio-titanio, una lega metallica che diventa
superconduttrice a circa 9 Kelvin.
Abbastanza interessante e curioso, che materiali che a temperatura ambiente sono buoni conduttori
elettrici, come l’oro, il rame e l’argento, a basse temperature non diventano superconduttori.
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L’assenza di resistenza elettrica non è però l’unica caratteristica fondamentale dei superconduttori.
Una seconda e non meno spettacolare proprietà dei materiali superconduttori è che essi al di sotto
della temperatura critica escludono dal loro interno il campo magnetico diventando perfettamente
diamagnetici si tratta dell’effetto Meissner, così chiamato in onore dello scienziato che lo scoprì nel
1933.
Senza questa proprietà un materiale privo di resistenza elettrica non è un superconduttore, ma
semplicemente un conduttore ideale1. È grazie a questa proprietà che il fenomeno della
superconduttività può essere considerato un vero e proprio stato di fase della materia che si
contrappone alla fase cosiddetta normale, quella cioè in cui il trasporto della corrente elettrica è un
fenomeno dissipativo.
Concludendo possiamo dire che l’assenza di resistenza elettrica ed il diamagnetismo ideale sono
due proprietà fondamentali del fenomeno della superconduttività.
La superconduttività
Per affrontare la spiegazione del meccanismo che dà origine al fenomeno della superconduttività,
consideriamo il comportamento degli elettroni in un metallo normale. Consideriamo un modello in
cui gli elettroni di conduzione sono un insieme di particelle libere.
1
Se un conduttore normale (T > Tc) viene magnetizzato e poi fatto transire in uno stato di “conduttore perfetto” (T < Tc),
il campo magnetico dovrebbe restare “intrappolato” anche quando il campo esterno venisse rimosso, per effetto delle
correnti indotte (per la legge di Lenz le correnti indotte si opporrebbero alla variazione di flusso del campo magnetico, e
non essendo possibile dissipazione, tali correnti manterrebbero indefinitivamente invariato il flusso all’interno del
conduttore perfetto). Ciò non avviene per un materiale superconduttore che invece, quando viene raffreddato al di sotto di
Tc in presenza di campo magnetico, espelle le linee di campo magnetico dal proprio interno.
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Se applichiamo al conduttore una differenza di potenziale, collegandolo ad esempio ai due poli di
una pila elettrica, gli elettroni si mettono in movimento e danno origine ad una corrente elettrica.
Durante il loro trasferimento verso il polo caratterizzato dal potenziale elettrico minore, gli elettroni
urtano contro gli atomi che formano il reticolo cristallino del conduttore. Gli elettroni di
conduzione, rimbalzando contro gli atomi, vengono deviati dalla loro traiettoria e perdono parte
della loro energia a favore degli atomi stessi. Tale trasferimento di energia, che si manifesta
attraverso un riscaldamento del conduttore, è la causa dell’attrito che si oppone al movimento degli
elettroni e quindi della resistenza elettrica del metallo.
Superconduttori a bassa temperatura: superconduttori di I tipo
Il modello teorico in grado di rendere conto delle principali caratteristiche microscopiche del
fenomeno della superconduttività per i materiali che manifestavano la proprietà di essere
superconduttori a basse temperature, detti superconduttori di tipo I venne messo a punto nel 1957 da
tre ricercatori statunitensi, John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer. L’elemento
fondamentale di questa teoria, detta BCS dalle iniziali degli ideatori, è rappresentato da
un’interazione attrattiva tra gli elettroni. L’effetto dell’interazione su due elettroni isolati è quello di
unirli in una coppia, denominata coppia di Cooper. Dal momento che a causa della loro carica
elettrica gli elettroni tendono a respingersi, affinché la forza risultante tra di essi sia attrattiva, è
necessaria l’azione di una seconda forza in grado di contrastare, a basse temperature, la forza
elettrica repulsiva. Per poter agire, questa seconda forza necessita dell’intervento di uno o più
intermediari. Questi sono i fononi, ossia le oscillazioni del reticolo cristallino.
Analizziamo qualitativamente ciò che succede quando un elettrone si muove all’interno del reticolo.
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A causa della sua carica elettrica negativa, l’elettrone attrae verso di se gli ioni positivi che si
trovano nelle vicinanze della sua traiettoria. In questo modo viene a crearsi una zona in cui c’è una
maggiore densità di cariche positive che, a sua volta, funge da zona di attrazione per altri elettroni
che si trovano a transitare nelle sue vicinanze. Il risultato di questo complesso meccanismo è quello
di generare indirettamente un’effettiva interazione attrattiva tra gli elettroni.
Ma come è possibile che il semplice accoppiamento degli elettroni sia in grado di modificare
radicalmente il comportamento di un conduttore, di permettere cioè ai portatori di carica,
contrariamente a quanto succede per gli elettroni liberi in un metallo normale, di muoversi senza
attrito? Il punto è che quando uno degli elettroni di una coppia “urta” uno ione del reticolo
cristallino, esso non può venir deviato dalla sua traiettoria in modo arbitrario a causa della presenza
del suo compagno, che reagisce prontamente all’urto “trattenendolo”. In questa situazione gli
elettroni che formano la coppia di Cooper modificano la loro direzione del moto ma non modificano
la loro energia. Grazie alla forza che unisce i due elettroni di una coppia di Cooper, il trasferimento
di energia agli atomi del reticolo cristallino, che in un metallo normale è all’origine della resistenza
elettrica, in un superconduttore non avviene.
Il predominio della forza attrattiva può facilmente venire annullato da influssi esterni come la
temperatura, l’intensità del campo magnetico nel quale il materiale superconduttore è immerso o
l’intensità della corrente elettrica che esso trasporta.
Temperatura critica
Il legame che unisce gli elettroni in coppie non è indissolubile, anzi, esso è piuttosto fragile.
L’energia necessaria alla sua rottura risulta quindi essere relativamente ridotta. Per tentare di
spiegare quale è l’effetto della temperatura sulla superconduttività, si pensi al fatto che la coppia di
Cooper viene costantemente scossa dalle eccitazioni termiche. Queste sono tanto più violente
quanto più alta è la temperatura del materiale superconduttore, e cioè l’energia con la quale le
coppie vengono scosse aumenta con l’aumentare della temperatura. Esiste quindi un valore della
temperatura per il quale questa energia è sufficiente per separare gli elettroni di una coppia,
distruggendo in questo modo lo stato superconduttore, tale temperatura viene chiamata temperatura
critica. Le temperature critiche dei superconduttori classici scoperti da Onnes e detti
superconduttori “a bassa temperatura” o del I tipo non superano i 23 Kelvin (-250 gradi centigradi).
Campo magnetico critico
Il meccanismo attraverso il quale un superconduttore è in grado di escludere o di espellere dal suo
interno un campo magnetico esterno è relativamente semplice e, in considerazione della sua
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importanza per alcune affascinanti applicazioni tecniche che vedremo in seguito, merita di essere
brevemente illustrato.
Generalmente un campo magnetico è, o può essere, associato ad un flusso di corrente elettrica.
Analogamente, i superconduttori reagiscono a campi magnetici esterni mettendo spontaneamente in
moto nel loro interno un flusso di corrente elettrica tale che il campo magnetico ad esso associato
annulli internamente il campo magnetico nel quale essi sono immersi. I superconduttori, quindi,
escludono dal loro interno i campi magnetici magnetizzandosi. Questo particolare comportamento
può essere messo in evidenza sperimentalmente avvicinando un superconduttore ad un magnete
permanente, e registrando la repulsione che si instaura tra di essi a causa della loro diversa polarità
magnetica. L'effetto che si osserva è del tutto simile a quello che tutti abbiamo probabilmente già
sperimentato tentando di avvicinare i poli opposti di due magneti. La repulsione tra superconduttori
e magneti è alla base dello spettacolare esperimento di levitazione.
Nei confronti dei campi magnetici, i superconduttori reagiscono mettendo in moto spontaneamente
una corrente elettrica, il cui scopo è quello di schermare il loro interno (effetto Meissner).
Affinché l’effetto di schermatura sia mantenuta quando l’intensità del campo magnetico esterno
cresce, la corrente elettrica di schermatura deve aumentare e tale aumento della corrente viene
realizzato poiché le coppie di Cooper circolano più velocemente. Esiste però una velocità limite che
alle coppie di elettroni non è concesso di oltrepassare, pena la loro dissoluzione e quindi la
distruzione della superconduttività.
Pertanto possiamo concludere dicendo che esiste un valore massimo dell’intensità del campo
magnetico che può essere schermato, al quale si fa generalmente riferimento con il nome di campo
critico Hc. Quando questo valore limite viene oltrepassato il superconduttore viene istantaneamente
invaso dal campo magnetico esterno e lo stato normale ripristinato. Il comportamento appena
descritto è caratterizzante della classe di superconduttori detta di tipo I.
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Corrente critica
Per quanto riguarda l’effetto della corrente elettrica trasportata, si può dire che esso è strettamente
legato a quello nei confronti del campo magnetico appena analizzato. Infatti, la corrente di trasporto
genera alla superficie del conduttore un campo magnetico che viene considerato dal materiale alla
stregua di un campo magnetico esterno. Così, quando l’intensità della corrente che attraversa un
superconduttore di primo tipo è tale da generare alla sua superficie un campo magnetico di intensità
uguale al campo critico, lo stato normale viene prontamente ripristinato. Il valore limite della
corrente viene chiamato corrente critica.
Se da un lato i superconduttori classici manifestano delle fenomenali capacità di trasporto,
dimostrandosi estremamente adatti per tutte quelle applicazioni dove è coinvolta la corrente
elettrica, dall’altro le temperature alle quali questa capacità è disponibile sono raggiungibili solo
con tecniche di raffreddamento complesse e quindi da un punto di vista prettamente economico
difficilmente sostenibili. Per questo motivo i materiali superconduttori, fatta eccezione per alcuni
pochi casi in cui essi si sono rivelati decisamente più efficienti, non sono mai veramente riusciti a
fare concorrenza ai conduttori convenzionali. Nel 1986 con la scoperta dei superconduttori di II tipo
qualcosa è cambiato.
Temperatura, intensità del campo magnetico e intensità della corrente elettrica sono dunque i tre
parametri critici che discriminano tra stato superconduttore e stato normale di un materiale e che ne
condizionano il comportamento. E’ inoltre in funzione di questi tre parametri che gli specialisti del
ramo costruiscono cosiddetti diagrammi di fase dei materiali superconduttori e stabiliscono se un
materiale è interessante per le applicazioni pratiche.
Superconduttori ad alta temperatura: superconduttori di II tipo
Dopo gli anni sessanta e fino al 1986 la comunità scientifica si era ormai generalmente rassegnata
ad accettare che la superconduttività fosse un fenomeno limitato a temperature inferiori ai 23 K.
Questa opinione era sostenuta dal fatto che gli sforzi profusi per incrementare le temperature
critiche dei materiali avevano dato dei risultati insignificanti. Inoltre il modello teorico relativo alla
natura della superconduttività non era in grado di predire temperature critiche sensibilmente
maggiori di quelle che aveva fino ad allora predetto. Nel 1986, però, si verificò un evento
inaspettato: nei laboratori dell’IBM a Zurigo-Rüschlikon, Alex Müller e Georg Bednorz scoprirono
i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, scoperta per la quale i due scienziati furono
insigniti del premio Nobel. L’importanza della scoperta si manifestò in tutta la sua pienezza appena
si capì che oltre da temperature critiche decisamente più alte (il materiale che attualmente detiene il
record diventa superconduttore già ad una temperatura di circa 133 Kelvin, ossia circa –140 gradi
centigradi), essi sono anche caratterizzati da una resistenza ai campi magnetici e da una capacità di
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trasporto sensibilmente superiori rispetto ai superconduttori a bassa temperatura. In considerazione
della loro particolare struttura, del fatto che, nonostante essi manifestino proprietà metalliche, non
siano metalli bensì degli isolanti, si capì anche relativamente presto che alla base della
superconduttività di questi nuovi materiali ci dovesse essere un meccanismo totalmente nuovo. Dal
1986 ad oggi il grande entusiasmo iniziale per la scoperta si è leggermente mitigato a causa di
alcune loro proprietà che frenano e ritardano il loro utilizzo in applicazioni tecniche su larga scala.
Il loro potenziale è però a tutto oggi immutato.
Il materiale di base di questi nuovi superconduttori è sempre un isolante costituito da strati di ossido
di rame, il quale, per mezzo di un drogaggio chimico, viene trasformato in un metallo (per
drogaggio chimico si intende l’aggiunta controllata nel reticolo cristallino di imperfezioni o di
atomi estranei). La struttura è formata intercalando strati di ossido di rame elettricamente conduttori
con strati isolanti composti da altri ossidi. Si tratta dunque di una struttura fortemente anisotropa,
che si distingue decisamente dalla struttura generalmente isotropa dei superconduttori
convenzionali.
La forte anisotropia è uno dei fattori principali che attualmente ostacola l’ingegnerizzazione dei
superconduttori ad alta temperatura. Il suo effetto, combinato con le alte temperature, è infatti
quello di rendere il reticolo delle linee di flusso, che nei materiali classici è una struttura
relativamente rigida e statica, molto dinamico e mobile. Infatti la corrente elettrica esercita sulle
linee di flusso una forza che tende a metterle in movimento. Per intensità di corrente non troppo
elevate il movimento delle linee di flusso è però ostacolato dai difetti strutturali che inevitabilmente
sono sempre presenti in qualsiasi materiale e ai quali le linee si ancorano. Quando l’intensità di
corrente è tale che la forza che agisce sulle linee di flusso è in grado di strapparle dai centri di
ancoraggio, allora si manifestano degli effetti dissipativi che portano il materiale alla perdita della
sua proprietà di trasportare corrente elettrica senza opporre resistenza.
Abbiamo visto che la mobilità delle linee di flusso compromette la proprietà del materiale di
trasportare corrente elettrica senza dissipazione di energia. L’altro fattore che, unitamente
all’anisotropia, ostacola l’utilizzo dei nuovi materiali per applicazioni tecniche è rappresentato dalle
loro particolari proprietà meccaniche. Queste, infatti, sono molto simili a quelle dei materiali
ceramici, che in generale sono estremamente fragili e poco duttili. Il risultato consiste in un’estrema
difficoltà di lavorazione, difficoltà che attualmente impediscono, ad esempio, la fabbricazioni di
cavi superconduttori di lunghezza superiore al chilometro.
L’intensa attività di ricerca e sviluppo condotta nel campo delle scienze dei materiali ha già
comunque fornito delle utili indicazioni su come è possibile aggirare o sormontare le difficoltà
sopraccitate, che comunque, al pari delle difficoltà associate alle temperature critiche dei materiali
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superconduttori classici estremamente basse, non hanno impedito la commercializzazione di alcuni
prodotti interessanti e lo sviluppo di nuovi prototipi.
Temperatura, intensità del campo magnetico e intensità della corrente elettrica, come nel caso dei
superconduttori di tipo I, anche per quelli di tipo II sono tre parametri critici che discriminano tra
stato superconduttore e stato normale di un materiale e che ne condizionano il comportamento.
A differenza dei superconduttori di tipo I, nei superconduttori di tipo II l’invasione da parte del
campo magnetico esterno avviene in maniera più graduale. Essa, infatti, inizia quando l'intensità del
campo magnetico esterno supera un primo valore limite, detto campo critico inferiore Hc1, e si
completa con la distruzione della superconduttività quando l’intensità raggiunge un secondo valore
limite denominato campo critico superiore Hc2.
Per valori intermedi, il campo magnetico penetra nel materiale sotto forma di linee di flusso
magnetico dirette parallelamente al campo esterno: queste consistono di un nucleo composto da
materiale normale, nel quale è confinato il campo magnetico che è riuscito a penetrare, circondato
da una zona nella quale circola una corrente elettrica che ha il compito di schermare il resto del
materiale rimasto superconduttore. Per la loro struttura le linee di flusso vengono anche chiamate
vortici. Appena penetrati nel materiale i vortici si ordinano in modo da formare una struttura
regolare simile a quella di un nido d'api chiamata reticolo di Abrikosov.
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Nei superconduttori di tipo II il meccanismo che porta il materiale alla perdita delle sue
caratteristiche superconduttive dipende dall’interazione della corrente con le linee di flusso in esso
presenti. In questo caso la corrente elettrica esercita sulle linee di flusso una forza che tende a
metterle in movimento. Per intensità di corrente non troppo elevate il movimento delle linee di
flusso è però ostacolato dai difetti strutturali che inevitabilmente sono sempre presenti in qualsiasi
materiale e ai quali le linee si ancorano. Quando l’intensità di corrente è tale che la forza che agisce
sulle linee di flusso è in grado di strapparle dai centri di ancoraggio, allora si manifestano degli
effetti dissipativi che portano il materiale alla perdita della sua proprietà di trasportare corrente
elettrica senza opporre resistenza. Tipicamente un superconduttore può sostenere una corrente
elettrica superconduttiva di alcune migliaia di Ampère per millimetro quadrato. Per apprezzare
questo valore e comprendere l’enorme potenziale dei materiali superconduttori per le applicazioni
tecniche basta fare un confronto con la capacità di trasporto di corrente di un qualsiasi filo
convenzionale (ad esempio di rame). Per evitarne la fusione a causa del surriscaldamento, la
corrente che li percorre non deve infatti superare il limite di 1-2 Ampère per millimetro quadrato!
Le applicazioni della superconduttività
Le applicazioni tecniche mirano sostanzialmente allo sfruttamento delle due proprietà fondamentali
della superconduttività: il trasporto di corrente elettrica senza dissipazione e il diamagnetismo
ideale.
I progressi maggiori, finora, sono stati fatti nel campo della microelettronica e della sensorica, o più
generalmente nella crioelettronica, cioè nell’elettronica alle basse temperature. Questo campo ha
potuto beneficiare enormemente delle tecnologie di processo e fabbricazione sviluppate per i
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materiali semiconduttori. In particolare si è riusciti a realizzare con dei materiali superconduttori ad
alta temperatura componenti estremamente complesse per la tecnica delle microonde, come ad
esempio filtri, antenne o miscelatori di frequenza, componenti che potrebbero a breve termine
rivoluzionare il campo della telefonia mobile. Anche il campo dell’informatica potrebbe a medio
termine subire l’influsso della tecnologia dei superconduttori. Nelle visioni per il futuro, infatti, si
parla già di calcolatori superveloci o di supercalcolatori, che funzionerebbero grazie a componenti
digitali superconduttive estremamente rapide. In fase notevolmente avanzata è anche lo sviluppo,
sulla base di materiali superconduttori ad alta temperatura, di sensori per la misura di campi
magnetici. Questo tipo di sensori, chiamati SQUIDs (da Superconducting Quantum Interference
Devices) e già disponibili commercialmente, sono in grado di misurare campi magnetici
estremamente deboli (fino a 0,5 milionesimi di Oersted, ossia livelli fino ad un milione di volte più
piccoli dell’intensità del campo magnetico terrestre), come quelli generati ad esempio dalle correnti
elettriche associate all’attività cerebrale dell’uomo.
Interessanti e numerose applicazioni tecniche della superconduttività sono state realizzate, o sono in
via di realizzazione, anche nel campo del trasporto, della conversione e dell’immagazzinamento di
energia. Si pensi in particolare ai cavi per il trasporto di corrente elettrica o per la fabbricazione di
trasformatori, generatori, motori elettrici. E’ questo un campo in cui la superconduttività possiede
un immenso potenziale.
Per capirne il motivo è sufficiente dire che nelle attuali linee aeree circa il 10% dell’energia elettrica
trasportata viene persa e che una quantità ancora maggiore di energia viene persa durante i suoi
processi di conversione. Nonostante la tecnologia di fabbricazione di cavi superconduttori a bassa
temperatura abbia già da tempo raggiunto un alto grado di maturazione, e fatta eccezione per alcune
applicazioni nel campo della medicina diagnostica (nelle apparecchiature utilizzate per la risonanza
magnetica nucleare) o della ricerca scientifica (acceleratori di particelle), le applicazioni
sopraccitate sono ancora poco diffuse, essendo esse da un punto di vista economico non ancora
sufficientemente interessanti. La causa risiede nel fatto che gli investimenti e le spese necessarie al
raffreddamento dei superconduttori sono ampiamente superiori ai benefici che si possono trarre a
livello, ad esempio, di risparmio energetico e guadagni di efficienza. Le proporzioni appena
descritte potrebbero però rapidamente capovolgersi nel momento in cui si riuscirà a produrre cavi
superconduttori ad alta temperatura di lunghezza e qualità sufficienti da soddisfare le esigenze
dell’industria.
Le possibili applicazioni della superconduttività citate rendono l’idea dell’enorme potenziale
tecnologico che l’umanità ha a portata di mano ma che, forse solo per poco, ancora gli sfugge e
degli influssi che esso, una volta afferrato, potrebbe avere sulla nostra vita quotidiana, sul modo di
18
esercitare le nostre attività, sul nostro modo di comunicare e di viaggiare. Sulla superconduttività
molto è già stato scoperto. Ma molto rimane ancora da scoprire. E’ dunque difficile e forse ancora
un poco prematuro disegnare scenari e fare pronostici precisi per il futuro. Una cosa la si può
comunque affermare senza correre il rischio di essere clamorosamente smentiti: quella dei
superconduttori è una tecnologia chiave, una tecnologia che nel prossimo secolo contribuirà
parecchio a modellare il nostro futuro.
19
Bibliografia
•
Ronald Brown. “Demonstrating the Meissner Effect and Persistent Current”. In The physics
teacher vol. 38, March 2000.
•
A. Sconza, G. Torzo. “Il freno elettromagnetico: un altro esperimento sulla legge di Lenz”. In
La Fisica nella Scuola, XXXV, 3, 2002.
•
Giuseppe Giuliani. “Induzione elettromagnetica: fisica e flashbacks”. In La Fisica nella Scuola,
XXXV, 4 Supplemento, Q14, 2002.
•
G. Torzo. “Superconduttività ad alta temperatura”. In La Fisica nella Scuola, XXIV, 1, 1991.
•
F. Herrmann. “Dati Elettricità Luce”. In Der Karlsruher Physikkurs.
•
H. Deger. “Dimostrazioni con superconduttori ad alta temperatura”. In La Fisica nella Scuola,
XXIV, 1, 1991.
•
Maria Silvia Defrancesco. “Magneti flottanti”. In La Fisica nella Scuola, XXVI, 4 Supplemento,
Q4, 1993.
•
Colin Gough.Physics “High temperature superconductors take off”. In Education. January
1998.
•
David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walzer. “Fondamenti di fisica - Elettromagnetismo”.
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P. Caldirola, G. Casati, F. Tealdi. “Corso di fisica 3”.
•
Arnold B. Arons. “Guida all’insegnamento della fisica”.
•
E. A. Lynton “Superconductivity”.
•
INFM Festival della scienza. “Superconduttività”.
•
Tiziano Teruzzi. “Introduzione alla superconduttività”.
•
Fernanda Ostermann and Letìcie Mendonça Ferriera. “Preparino teachers to disuss
superconductivity at high school level: a didactical approach”
Sitografia
http://ulisse.sissa.it
Science Fair Projects and Experiments: Topics, Ideas, Resources, and Sample Projects
http://superconductors.org/
The Wonders of Physics (http://sprott.physics.wisc.edu/wop.htm)
Model 250 Manual (http://www.futurescience.com/manual/sc250.html)
AIP Physics News 652 - Pressing Forward From Teeth to Superconductors
(http://physics.about.com/b/a/023816.htm)
20
Ferromagnetism - Definition - Electromagnetism Condensed Matter and Solid State Physics
(http://physics.about.com/od/electromagnetism/g/ferromagnetism.htm)
21
Scheda studente 1
Hai un magnete, un ago magnetico, una calamita, un pezzo di magnetite, una moneta di ferro, una
moneta di rame, una moneta di alluminio, un chiodo di ferro, graffette fermafogli in acciaio, un
bottone di plastica, uno scontrino della spesa, una pallina da ping pong, uno stuzzicadenti, una
sferetta di ferro.
1. Avvicina, uno alla volta, i diversi oggetti ad uno dei poli del magnete e individua i diversi
tipi di interazione tra il magnete e i diversi oggetti, osservando ciò che accade.
OGGETTO
TIPO DI INTERAZIONE
Ago magnetico
Calamita
Pezzo di magnetite
Moneta di ferro
Chiodo di ferro
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Moneta di rame
Graffette fermafogli in
acciaio
Moneta di alluminio
Bottone di plastica
Scontrino
Pallina da ping pong
Sferetta di ferro
Stuzzicadenti
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2. In quante categorie puoi classificare i comportamenti osservati?
Illustrale.
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3. Per i vari oggetti sono essi che determinano l’interazione o i materiali di cui sono fatti?
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4. Fai una classificazione dei casi di interazione con un magnete.
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5. Quando l’interazione attrattiva è evidente come nel caso del magnete e dei fermafogli è il
magnete ad attrarre i fermagli o sono i fermagli che attraggono il magnete?
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6. Lascia il magnete sul tavolo e avvicina il fermafogli. C’è un comportamento reciproco o il
magnete produce qualcosa?
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7. Descrivi l’interazione tra un magnete ed un oggetto ferromagnetico.
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8. L’attrazione tra il magnete e la moneta avviene quando c’è contatto o si manifesta prima?
Illustra e spiega.
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9. Avvicina tra loro due fermagli o due monete che venivano attratti dal magnete. Si
attraggono?
Sì
No
Prova a spiegare ciò che succede in questo caso e quando avvicini loro un magnete.
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Distribuiamo un insieme di piccoli aghetti della bussola intorno ad un magnete. Osserviamo
come si distribuiscono gli aghetti.
10. Nello spazio sottostante riproduci il magnete e la distribuzione degli aghetti attorno al
magnete mediante linee continue alle quali ciascun aghetto è tangente.
11. Spiega cosa rappresentano queste linee facendo riferimento al modo in cui sono state
costruite.
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__________________________________________________________________________
Distribuiamo un insieme di piccoli aghetti della bussola intorno ad un magnete. Tracciamo la
distribuzione degli aghetti attorno al magnete mediante linee continue alle quali ciascun
aghetto è tangente. Rimuoviamo gli aghetti.
12. Colloca su una di esse un altro aghetto della bussola. Come si dispone?
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__________________________________________________________________________
13. Colloca su di esse una pallina ferromagnetica. Come si muove?
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Collochiamo attorno al magnete delle placchette ferromagnetiche fisse nelle loro posizioni, ma
libere di ruotare. Guardiamo come si orientano.
14. Nello spazio sottostante riproduci il magnete e la distribuzione delle placchette attorno al
magnete mediante linee continue alle quali ciascuna placchetta è tangente.
15. C’è qualche differenza tra la figura riprodotta in base alla disposizione degli aghetti della
bussola e le placchette ferromagnetiche?
Sì
No
Perchè?
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16. Considera due linee di campo.
a. Mantengono la stessa distanza tra loro?
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b. Che cosa ci indica il loro restringersi o allontanarsi?
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17. Il valore del campo magnetico lungo una linea di campo è sempre lo stesso?
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Scheda studente 2
Hai quattro magneti di forma cilindrica identici, forati al centro e montati su un’asta legno. I
magneti rimangono sospesi uno sull’altro.
1. Immagina di applicare sul disco superiore una forza diretta verso il basso, ad esempio
spingendolo con la mano. Quale delle seguenti proposte pensi che descriva meglio la
situazione? Spiega come mai.
a. Ti aspetti sentire una “resistenza” alla forza che imprimi verso il basso.
b. Pensi di non riuscire a spostare il magnete dalla sua posizione
c. Pensi che il magnete cada su quello sottostante.
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2. Ora spingi il disco superiore verso il basso con la mano.
a. Si è presentata una delle situazioni descritte precedentemente?
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Sì
No
b. Descrivi ciò che si verifica.
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3. Confronta la tua previsione della domanda 1 con la prova fatta nella domanda 2. La tua
previsione era corretta? Motiva la risposta
Sì
No
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Nella figura sottostante sono stati schematizzati e rappresentati in sezione i quattro magneti di
forma cilindrica identici, forati al centro e montati sull’asta di legno.
4. Quali sono le forze che agiscono su ogni disco? Rappresentale sulla figura sottostante.
5. Supponi di impilare i magneti in modo che si respingano l’un l’altro, senza l’asta di legno
che li attraversa. Come prevedi che si disporranno i magneti? Motiva la risposta.
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6. Ora prova ad impilare i magneti in modo che si respingano l’un l’altro senza utilizzare il
supporto di legno.
a. Cosa succede?
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b. Dai una spiegazione di ciò che accade.
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7. Quali sono i fattori che entrano in gioco e per i quali i magneti cilindrici impilati sull’asta di
legno in modo che si respingano fluttuano?
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Scheda studente 4
Hai un tubo di rame lungo 114 cm del diametro di 2.5 cm, un magnete cilindrico del diametro di --e alto --- , un cilindro d’acciaio delle stesse dimensioni del magnete cilindrico e un cronometro.
Tieni il tubo di rame in posizione verticale e utilizza il cronometro per misurare il tempo che
impiegano il magnete cilindrico e il cilindro d’acciaio ad attraversare il tubo.
1. Lascia cadere il cilindro di acciaio nel tubo di rame. In quanti secondi il cilindretto di
acciaio attraversa il tubo?
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2. Lascia cadere il magnete cilindrico nel tubo di rame. In quanti secondi il cilindretto
magnetico attraversa il tubo?
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3. C’è una differenza tra il tempo impiegato dal cilindro di acciaio e dal magnete ad
attraversare il tubo? Come spieghi questa differenza?
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Hai un tubo di rame delle stesse dimensioni del precedente in cui è stata fatta un’incisione di 0.2
cm di spessore nel verso della lunghezza del tubo, in modo che tale incisione sia profonda quanto
lo spessore del tubo. Tieni il tubi in posizione verticale.
4. Supponi di lasciar cadere il cilindro di acciaio nel tubo di rame. In quanto tempo ti aspetti
che attraversi il tubo?
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5. Lascia cadere. In quanti secondi il cilindro attraversa il tubo?
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6. Noti delle differenze nel tempo di caduta dello stesso cilindro rispetto al caso del tubo non
inciso?
Sì
No
Spiega come mai.
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7. Supponi di lasciar cadere il magnete cilindrico nel tubo di rame. In quanto tempo ti aspetti
che il magnete cilindrico attraversi il tubo?
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8. Lascia cadere il magnete cilindrico nel tubo di rame. In quanti secondi il magnete attraversa
il tubo?
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9. Nei due casi del tubo inciso e del tubo non inciso i due cilindri non si comportano nello
stesso modo. Come lo spieghi?
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Scheda studente 5
Hai una bobina con in cima un nucleo di ferro dolce, un anello di rame, un fornelletto, un
contenitore con dell’azoto liquido, un cartoncino bianco.
1. Mentre il generatore è spento posiziona l’anello di rame sul nucleo di ferro dolce. Cosa
succede?
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2. Lascia l’anello di rame sul nucleo di ferro e accendi il generatore. Descrivi ciò che osservi.
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3. Lascia acceso il generatore. Noti qualche effetto?
Sì
No
4. Accendi e spegni il generatore lasciando l’anello di rame posizionato sul nucleo di ferro.
Descrivi e ciò che osservi.
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5. Quando l’anello si sposta dalla sua posizione iniziale?
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6. Illustra perché accendendo e spegnendo il generatore l’anello di rame salta.
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7. Posiziona il cartoncino bianco dietro la bobina con in cima il nucleo di ferro, accendi e
spegni il generatore e segna sul cartoncino l’altezza raggiunta dall’anello.
h = ….
8. Fai scaldare l’anello di rame su un fornelletto per qualche minuto e poi posizionalo sul
nucleo di ferro. Accendi e spegni il generatore.
a. Descrivi ciò che osservi.
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b. L’ anello salta più o meno in alto di quanto ha saltato nel caso precedente in cui non
era stato scaldato appoggiandolo sul fornelletto?
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9. Posiziona il cartoncino bianco dietro la bobina con in cima il nucleo di ferro, accendi e
spegni il generatore e segna sul cartoncino l’altezza raggiunta dall’anello.
h = ….
10. Supponi di immergere l’anello di rame nell’azoto liquido per qualche minuto in modo da
raffreddarlo e di posizionarlo sul nucleo di ferro. Prevedi che l’anello salti:
a. Più o meno del caso in cui è a temperatura ambiente? Motiva la tua risposta.
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b. Più o meno del caso in cui è stato scaldato sul fornelletto? Motiva la tua risposta.
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11. Posiziona il cartoncino bianco dietro la bobina con in cima il nucleo di ferro. Immergi
l’anello di rame nell’azoto liquido per qualche minuto e poi posizionalo sul nucleo di ferro e
accendi e spegni il generatore e segna sul cartoncino l’altezza raggiunta dall’anello. L’anello
salta:
a. Più o meno del caso in cui è a temperatura ambiente?
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b. Più o meno del caso in cui è stato scaldato sul fornelletto?
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12. Ritieni che in qualche modo il fenomeno sia legato alla temperatura dell’anello? Motiva la
tua risposta.
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13. Concludiamo assieme.
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Scheda studente 6
Hai un magnete cilindrico, un cilindretto superconduttore, un contenitore con dell’azoto liquido e
una bussola.
1. Prima di versare l’azoto liquido sul superconduttore appoggia sopra la bussola. Come si
orienta l’ago della bussola?
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2. Ruota il superconduttore e appoggia sopra la bussola. L’ago della bussola si dispone con la
medesima orientazione del caso precedente?
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3. Appoggia sul superconduttore il magnete. Rimuovi il magnete e appoggia sul super
conduttore la bussola. Come è orientato l’ago della bussola rispetto alle due situazioni
precedenti?
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4. La bussola si orienta in base ad un campo che non sia quello terrestre nelle immediate
vicinanze del superconduttore?
Sì
No
Da cosa lo desumi?
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5. Versa l’azoto liquido sul superconduttore in modo da coprire la pastiglia di superconduttore.
Attendi che parte dell’azoto evapori e quindi la pastiglia di superconduttore riemerga.
Appoggia il magnete sopra il superconduttore. Descrivi ciò che osservi.
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6. Appoggia il magnete sulla pastiglia di superconduttore, versa l’azoto liquido sul
superconduttore e sul magnete in modo da ricoprirli e attendi che parte dell’azoto evapori.
Descrivi ciò che osservi.
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7. Fai un confronto delle due situazioni precedenti. Come spieghi il fatto che il magnete rimane
sospeso a qualche millimetro dal superconduttore?
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8. Rimuovi il magnete e l’azoto liquido. Appoggia la bussola sul superconduttore. Come è
orientato l’ago della bussola?
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9. Rimuovi la bussola, ruota il superconduttore e riappoggia sopra la bussola. Come è orientato
l’ago della bussola?
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10. La bussola si orienta in base ad un campo che non sia quello terrestre nelle immediate
vicinanze del superconduttore?
Sì
No
Come lo spieghi?
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11. Concludiamo assieme.
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Test ingresso/uscita
1. In quante classi si possono suddividere le interazioni di diversi tipi di materiali con un
magnete? In che cosa si differenziano?
Punteggio: 0.5
2. In un circuito chiuso si genera una corrente indotta ogniqualvolta varia il flusso del vettore
induzione magnetica con essa concatenato ed il fenomeno dura finché dura la variazione di
flusso.
a. Questa affermazione è sempre vera?
Sì
No
b.
Motiva la risposta.
Punteggio: 1
3. Nei conduttori, nei metalli in generale la resistenza è legata alla temperatura. All’aumentare
della temperatura, la resistenza aumenta. Perchè?
Punteggio: 0.5
4. Per superconduttività s’intende l’azzeramento della resistività elettrica che certi materiali
esibiscono al di sotto di un certa temperatura critica Tc (G. Torzo. Superconduttività ad alta
temperatura).
Secondo te il passaggio allo stato superconduttore è un processo irreversibile o reversibile?
Motiva la tua risposta.
Punteggio: 1
5. Pensi che si comportino allo stesso modo un conduttore normale magnetizzato e poi fatto
transire in uno stato di “conduttore perfetto” (T < Tc) e un superconduttore immerso in un
campo magnetico e poi portato al di sotto della temperatura critica? (Considera che un
superconduttore al di sotto della temperatura critica, immerso in un campo magnetico
diventa perfettamente diamagnetico). Motiva la risposta.
Punteggio: 1
6. Perché all’interno di un superconduttore, portato al di sotto della temperatura critica il
campo elettrico deve essere uguale a zero? (Dull. A teacher guide to superconductivity for
high school students).
Punteggio: 1
7. In quante e quali tipologie si suddividono i superconduttori e da che cosa sono
caratterizzate?
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Punteggio: 1
8. Quali sono i parametri critici che discriminano tra stato superconduttore e stato normale di
un materiale e che ne condizionano il comportamento?
Punteggio: 1
9. In figura sono rappresentati i grafici (a) e (b) degli andamenti della resistività in funzione
della temperatura per i conduttori e per i superconduttori.
a. Quale grafico rappresenta gli uni e quale gli altri?
b. Quale è la differenza tra l’andamento della resistenza in funzione della temperatura
in un superconduttore e in un conduttore normale?
Punteggio: 1
10. Quali sono gli ambiti in cui vengono utilizzati i superconduttori?
Punteggio: 1
11. Quali sono le difficoltà legate alla realizzazione di componenti di appartati tecnologici di
avanguardia che utilizzino i superconduttori?
Punteggio: 1
Il test viene valutato solo in uscita. La sufficienza si raggiunge con 6/10.
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