Il fenomeno della superconduttività fu scoperto nel mercurio nel 1911 dal
fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes,[1] che anche per questo motivo
ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1913. In seguito la
superconduttività fu scoperta in molti metalli e leghe. Nel 1986 Karl
Alexander Müller e Johannes Georg Bednorz scoprirono che una ceramica
di bario, lantanio , rame e ossigeno diventa superconduttore alla
temperatura di circa 35 K (-238 °C) ; questa temperatura era
significativamente maggiore dei 23 K (-250 °C) della migliore lega
superconduttrice allora nota. Anche Müller e Bednorz ricevettero il premio
Nobel per la fisica, nel 1987.
Ulteriori ricerche hanno portato alla scoperta di ceramiche sempre
contenenti rame e ossigeno, tali da permettere di usare l'azoto liquido (alla
temperatura di 77 K (-196 °C) ) come refrigerante, molto più economico ed
efficiente dell'elio. Una temperatura critica tanto alta suggerì la possibile
esistenza di un superconduttore a temperatura ambiente, che da allora ha
attirato e continua ad attirare in questo settore della fisica fondi e
ricercatori in tutto il mondo.
Nel 1993 è stato scoperto il superconduttore con la temperatura critica più
alta, Tc 138 K (-135 °C); è un composto ceramico a base di mercurio , bario,
calcio, rame e ossigeno (HgBa2Ca2Cu3O8+δ) ottenuto per sostituzione del
tallio.[2]
Dal punto di vista teorico, la prima
descrizione fenomenologica
dell'elettrodinamica di un
superconduttore è quella data dalle
equazioni di London, sviluppate nel
1935 da Fritz e Heinz London. Nel 1950
Vitalij Lazarevič Ginzburg e Lev
Davidovič Landau hanno sviluppato
una teoria fenomenologica della
transizione di fase
Alexi A. Abrikosov
superconduttivà.Ginzburg e Landau
Antony J.Leggett
hanno ricevuto il Nobel per la fisica nel
1962. Nel 1957 è stata esposta la prima
teoria microscopica completa (per i
superconduttori di Tipo 1) da parte di
John Bardeen, Leon Neil Cooper e John
Robert Schrieffer. L'interpretazione,
nota come teoria BCS, è basata sul
concetto di coppie di Cooper. Anche
questi tre scienziati hanno ricevuto il
Nobel per la fisica, nel 1972
Vitaly L. Ginzburg
Un materiale superconduttore,se messo ad una temperatura
inferiore a quella critica,presenta una resistenza nulla, e questo non
viola la legge di Ohm; quindi non c’è differenza di potenziale.
Adesso vediamo come si comporta un materiale non
superconduttore, al variare della temperatura :
Ad alte temperature gli urti avvengono tra le impurezze dei
materiali e gli elettroni creando così oscillazioni reticolari; esse
possono essere considerate oscillazioni degli atomi causate
dall’energia termica(aumento di temperatura).
Invece diminuendo la temperatura,l’ampiezza delle oscillazioni è
minore e gli elettroni subiscono meno urto.
Allungando il tempo medio tra i due urti causando la diminuzione
della resistività e della resistenza stessa.
Invece a temperature bassissime, le oscillazioni sono poche dovuti
alle impurezze,portando la resistenza ad un valore vicino allo
zero.
ORA ANALIZZIAMO UN MATERIALE SUPERCONDUTTORE :
A differenza di un materiale normale,un materiale superconduttore , mostra
resistenza nulla, salto alla temperatura critica, e in tale materiale , la
resistenza non risulta diversa dallo zero; supponendo che non ci siano
oscillazioni reticolari; secondo la legge di London
dJ=-ne/dt
Il campo elettrico applicato è proporzionale alla variazione nel tempo della
corrente che circola al suo interno.
GRAFICO DELLA RESISTENZA DI UN MATERIALE
SUPERCONDUTTORE IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA :
L'effetto Meissner-Ochsenfeld (noto anche più semplicemente
come effetto Meissner) è l'espulsione del campo magnetico dall'interno
di un superconduttore.
Quando un superconduttore viene immerso in un campo magnetico di
intensità inferiore ad un certo valore critico, esso manifesta
un diamagnetismo perfetto, espellendo il campo magnetico dal suo
interno; ciò avviene tramite la generazione di correnti superficiali che
inducono, all'interno del superconduttore, un campo magnetico opposto
a quello applicato.
Zattere magnetiche
Due magneti sono posti su due piccole zattere di
polistirolo galleggianti sull’acqua. Se si mettono il polo
nord di uno dei magneti vicino al polo sud dell’altro, si
osserva che i magneti si attraggono. Se si avvicinano
poli uguali (nord - nord o sud - sud) si osserva che i
magneti, che sono in grado di muoversi, ruotano di
modo da attirare il polo opposto dell’altro.
3 – Repulsione fra magneti e distanza: una misura
Due magneti sono inseriti in un tubo con gli stessi poli
uno di fronte all'altro. Essi si respingono. Quando il tubo
è collocato in posizione verticale, il magnete in cima
rimane sospeso per effetto della repulsione tra i poli
simili dei due magneti. Se si aggiungono piccoli pesi (di
un materiale non magnetico) sulla parte superiore del
magnete soprastante, la distanza tra i due magneti si
riduce permettendo di osservare che la legge della forza
repulsiva va con l’inverso della potenza di una distanza
10 – L'interazione tra un magnete e una bobina percorsa da una
corrente elettrica
Una bobina percorsa da una corrente è attratta o respinta da
un magnete in base alla direzione in cui circola la corrente al
suo interno.
L'effetto è amplificato se si inserisce un nucleo di materiale
ferromagnetico nella bobina.
Una bobina percorsa da una corrente elettrica si comporta
come un barra magnetica.
Due bobine, ciascuna costituita da molte spire, sono messe
vicine. Quando una corrente elettrica viene fatta scorrere
attraverso di esse si attraggono o si respingono in base alla
direzione delle correnti come nel caso del precedente
dimostrazione.
Gli effetti però sono amplificati rispetto a quelli che si
verificano nella precedente dimostrazione.
Gli effetti magnetici dipendono infatti dal numero di spire
delle bobine
La temperatura critica (Tc) dei conduttori YBaCu è intorno agli 80K, sufficientemente elevata da
consentire l’uso di azoto liquido a buon mercato (77K). Cosi è possibile fare degli esperimenti
con questi superconduttori e anche produrne in granuli a scuola. La ricetta per cuocere questi
superconduttori si legge come una ricetta per una torta:
ossido di ittrio: 0,565g
carbonato di bario: 1,97g
ossido di rame: 1,19g
copper oxide: 1,19g.
Mescolare accuratamente e schiacciare l’impasto in un mortaio di agata fino ad ottenere una
polvere consistente.
Questa polvere deve essere premuta in granuli.
Dopo che i granuli sono stati compressi vengono cotti in un forno a tubo la prima
volta ad una temperatura di 800°C per 12 ore con una rampa di salita 5°C/min,
invece la discesa in 1 °C/min; la seconda volta,dopo che le pasticche sono
state polverizzate e compresse, ad una temperatura di 900°C con le stesse
rampe e lo stesso tempo della prima,ma con leggero flusso di ossigeno. Dopo
il processo di cottura, i superconduttori possono; essere testati. Se il campione è
piccolo, è meglio utilizzare un anello magnetico e lasciare che il campione
raffreddato galleggi sopra. Il campione si riscalderà aldi sopra della Tc entro pochi
secondi e poi smetterà di galleggiare. Un’altra possibilità è quella di inserire un
grosso campione proprio nell’azoto liquido. Se un forte magnete galleggia sopra il
campione, allora il campione supera il test per la superconduttività. Per l’effetto
Meissner-Ochsenfeld il magnete è posto sul campione a temperatura ambiente. In
base alle leggi classiche, nessun galleggiamento dovrebbe accadere perché il campo
magnetico non varia più. Ma dopo il raffreddamento del campione il magnete
galleggerà. Questo dimostra che la superconduttività è ancora più perfetta del
diamagnetismo
1)Anello di Thomson
I fenomeni di induzione elettromagnetica e di sospensione magnetica vengono
riconsiderati andando a studiare l’esperimento dell’anello di Thomson, che viene
proposto per far riconoscere l’influenza di T(temperatura) su ρ(resistività).
L’esperimento ripetuto con anelli di materiali diversi permette di riconoscere che
vi è un analogo comportamento dovuto al forte campo prodotto dalle correnti
indotte, che sono tanto più intense quanto minore è la temperatura dell’anello.
Si riconosce allora l‘ evidente diminuzione della resistività con la diminuzione
della temperatura del materiale di cui è composto l’anello.
2)A pressione
Subir Sachdev,-fisico della materia condensata, dice che il bizzarro effetto di riemersione
può essere correlato al modo in cui i siti che nel cristallo non hanno ioni vengono
rimescolati quando viene applicata la pressione. Esperimenti indipendenti hanno
dimostrato che a pressione normale un campione sottile di seleniuro di ferro presenta una
"doppia personalità", separandosi in regioni altamente magnetiche, che contengono
molti di questi posti vacanti ben ordinati, e regioni superconduttrici, prive di essi. "C'è un
contrasto molto drastico tra questi comportamenti già a pressione ambiente", dice
Sachdev.
"A pressioni elevate sembra che succeda qualcosa che estromette il comportamento
magnetico e permette il sopravvento della superconduttività."
I risultati possono confondere, anziché offrire soluzioni al lungi mistero della
superconduttività ad alta temperatura, dice Andrew Green, un fisico della materia
condensato, osservando che, sebbene la prima fase di superconduttività nel seleniuro di
ferro appaia a pressioni più basse, essa è legata a una transizione già vista in altri
superconduttori ad alta temperatura, mentre il riemergere della superconduttività ad alta
pressione è probabilmente un nuovo tipo di transizione di fase che segue un meccanismo
diverso. "Questo è un risultato molto interessante, ma credo che sollevi più domande che
risposte."
3)Applicazioni industriali
Le applicazioni industriali della superconduttività sono un ‘Sacro Calice’ della ricerca
applicata. La possibilità di far fluire la corrente elettrica senza incontrare resistenze di
sorta – una possibilità provata sperimentalmente a temperature vicine allo zero assoluto –
porterebbe a guadagni di efficienza capaci di creare una nuova rivoluzione industriale, se
solo fosse possibile replicare la superconduttività a temperature più accessibili
iniziamo col dire che nei superconduttori può scorre una gran
quantità di corrente senza dissipare alcuna potenza e che una volta
iniettata in un circuito superconduttore ,in grande quantità, questa
corrente può continuare per un gran numero di anni senza il
bisogno di alcun generatore esterno, per questo i superconduttori
vengono utilizzati per mantenere le correnti necessari per generare
forti campi magnetici.
Trasmissione di energia
La Pirelli sfruttando le caratteristiche di questi materiali ha iniziato
dal 2001 l’impiego di cavi elettrici a superconduttore potendo
garantire la trasmissione d’energia senza perdite. La società italiana
ha realizzato per una stazione metro di Detroit (USA) 3 cavi a
superconduttore lunga più di 100m rimpiazzandone 9 cavi di rame, I
cavi hanno una Tc di 93 K, sono avvolti su un tubo che trasporta
azoto liquido a 77 K che ne assicura il raffreddamento, e sono isolati
termicamente ed elettricamente dall'esterno con un opportuno
rivestimento.
Trasporto
La lievitazione magnetica è una delle grandi possibilità che ci offrono i materiali superconduttori,
infatti nel 1999 in Giappone venne realizzato il primo treno a lievitazione magnetica che
riducendo a zero l’attrito raggiunse una velocità di 500Km/h . In un tunnel a bassa pressione,
tuttavia, un treno a levitazione magnetica potrebbe senza problemi, e silenziosamente,
raggiungere velocità di oltre 3000 Km/h e trasportare un passeggero da New York a Los Angeles
in un'ora e un quarto, consumando meno di 4 litri di gasolio.
Acceleratore di particelle del CERN a
Ginevra;in Svizzera
Ricerca
I superconduttori vengono già largamente impiegati negli acceleratori di
particelle per incurvarne la traiettoria, sfruttando la forza che un campo
magnetico esercita su di una particella carica (forza di Lorentz).
Attualmente, magneti a superconduttore sono in funzione in varie parti del
mondo: in particolare, l'Unione Europea ha stanziato diverse centinaia di milioni
di euro per la costruzione, entro il 2005, del Large Hadron Collider presso il CERN
di Ginevra, che risulterà il più potente al mondo, consentendo di accelerare
particelle fino a 7 TeV.
Il funzionamento si basa nel sottoporre il paziente ad un forte
campo magnetico statico, con un intensità che varia dai decimi
fino ai 3 tesla, le forze generate dal campo fanno si che i momenti
magnetici delle molecole del paziente si allineino nella direzione
del campo magnetico esterno, inducendo ad una temporanea
alterazione dei nuclei , interrompendo le onde radio i nuclei
tornano alla normalità dando luogo a segnali che verranno inviati
ad un computer e trasformati in immagini.
Il magnete principale può essere a superconduttore, realizzato in
lega di niobio –titanio e raffreddato da elio liquido a – 269 °C in
maniera di ridurre la propria resistenza a zero e divenendo così un
superconduttore. L a costruzione di tale magnete è molto costosa
come l’elio per il raffreddamento che inoltre è molto difficile da
maneggiare.
Per misurare quando la resistenza scende a zero, ad esempio quando la corrente
attraversa il
campione con una differenza di potenziale pari a zero nel campione stesso,
bisogna usare “il contatto a quattro punte”,
guardare le figure :
vi sono quattro porte collegate al campione. Due di esse vengono usate per far
scorrere una corrente
I attraverso il campione. Il secondo paio di porte vengono usate per misurare V.
Siccome nessuna corrente scorre nel secondo paio di porte , le resistenze dei
contatti non contano. La resistenza della parte del campione tra il secondo paio
di contatti sarà R = V/I dalla legge di Ohm
I DOCENTI DELL’UNIVERSITA’ DI TOR VERGATA,FACOLTA’ DI FISICA
DIPARTIMENTO “SCIENZE DEI MATERIALI”:
- prof. Ivan Davoli (referente PLS)
- dott. Giovanni Casini
- dott. Ivan Colantoni
- ABDUL KAMAL
- ARGANTE DAMIAN
- CARELLO VALERIO
- DANIELE PIRONE
- ROSMARINO EMANUELE
Docente (referente PLS)
prof. Antonio Pranzo
Molte dimostrazioni pratiche nel campo della superconduttività richiedono l’uso di azoto liquido.
È una sostanza pericolosa ed è necessario maneggiarla con molta cura :
• Usare bottiglie Dewar o contenitori thermos per trasportare piccole quantità di azoto liquido, ma
MAI AVVITARE IL TAPPO. La pressione che può generarsi all’interno del thermos potrebbe
causarne l’esplosione. • Dimostrare loro cosa può accadere quando I materiali vengono super-raffreddati (per
esempio,
raffreddare e frantumare una rosa).
• Assicurarsi che l’azoto liquido non entri in contatto con parti del corpo.
• Indossare sempre occhiali di protezione.
• Non toccare mai oggetti raffreddati come superconduttori o magneti. Usare sempre pinzette
preventivamente testate per essere certi che non diventino fragili quando raffreddate.
• Usare guanti isolanti .
• Assicurarsi che la stanza dove state lavorando sia ben ventilata.
Lavorare con magneti
Alcuni magneti (ad esempio I magneti al niobio) possono essere molto potenti e vanno maneggiati
con cura :
• Tenere sempre I magneti lontano da computer, floppy disk, registratori e carte di credito.
• Indossare guanti nel caso in cui due magneti si attraggono fortemente e tenere lontano piccoli
frammenti di metallo.
• Stare attenti a non mettere le dita tra due di questi magneti.
• Tenere lontano tali magneti.
Superconduttività-Fenomenologia dott. Matteo Salvato
Dipartimento di Fisica- Università Tor Vergata
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/
200
3/index.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Shanghai
www.supercomet.eu
