Superconduttività

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LA SUPERCONDUTTIVITA’
1. Introduzione
La termodinamica classica prevede che atomi e molecole hanno velocità nulla per una temperatura assoluta “T”
che tende a zero (0 °K = - 273,15 °C); invece, in prossimità di tali valori, si manifestano 'superfluidità' e
'superconduttività', fenomeni di estrema dinamicità, di natura strettamente quantistica. In questa ricerca,
approfondiremo il secondo fenomeno, perché l’impatto delle scoperte ad esso collegate, può del tutto rivoluzionare
la civiltà che ci circonda!
Si definisce fase Superconduttiva l’intervallo compreso tra 0 °K e Tc in cui un determinato materiale manifesta
una resistività molto prossima a zero, o quasi del tutto nulla, non opponendo resistenza alcuna, di conseguenza, al
passaggio di correnti al suo interno e manifestando il fenomeno della diamagneticità, denominato effetto meissnerochsenfeld
Nella superconduttività di I specie, ad esempio, al di sotto della cosiddetta 'temperatura critica’, viene favorita la
formazione di 'coppie di Cooper', stati legati ordinati: è una sorta di danza a coppie, come se una discoteca, dove
regna il disordine ed ognuno danza per sé (fermioni), alla ricerca di un compagno, improvvisamente ognuno
trovasse il proprio compagno (...dell'altro sesso, ovvero di opposto spin) e si mettesse a danzare insieme a lui una
sorta di valzer, in perfetto ordine e sincronismo con tutte le altre coppie 'bosoniche' formatesi, con pochissimi sinlge
residui, e come se, per incanto, la caotica discoteca si fosse trasformata improvvisamente in una fredda ma
ordinata sala da ballo ottocentesca, ospitando un valzer 'gattopardiano' di viscontiana memoria. Il valzer da quel
momento si muove come un tutt'uno e non può essere fermato, non incontra resistenza. La formazione delle
coppie può avvenire in due modi
1. per i SC di tipo I (a bassa Tc) con un meccanismo spiegato dalla teoria BCS;
2. per i SC di tipo II con un meccanismo più articolato ad oggi non del tutto noto.
La Tc dipende dal tipo di materiale raffreddato; essa varia da 10-3-20°K per i SC di I tipo, a 30-242°K (record
attuale,
“-31°C”, ottenuto il 18/05/09) per quelli di II tipo. Al di sotto della temperatura critica, si manifestano, se non si
superano certi limiti, brusco azzeramento della resistività [che permette il mantenimento di fortissime densità di
'correnti persistenti', di circa 100A/mm 2 (SC di tipo I) fino a valori di 105A/mm2 (per i SC di II tip), in assenza di
campo elettrico applicato] e perfetta diamagneticità (con conseguente espulsione del campo magnetico nell' 'effetto
Meissner-Ochsenfeld' di levitazione magnetica, con generazione di correnti persistenti).
2. Cenni storici
La superconduttività affonda le sue radici nella fine del 1800 ed è tutt'oggi argomento di vivo dibattito.

Dal 1887 al 1900 il fervore mostrato dalla scienza nell'ambito della criogenìa si concretizza nell'attività del
pioniere James Dewar, fisico chimico inglese, che riesce a liquefare i gas nobili, tranne l'Elio; vi riesce
invece, nel 1908, non banalmente per quei tempi, dato che l'He condensa a 4°K, l'olandese Heike
Kamerlingh Onnes che, nel 1911 trova come la resistività del mercurio piombi drasticamente a zero in 0.01
°K, con valori di resistività inferiori a 10-25Ωm, secondo misure attuali; mentre doveva farlo linearmente in
prima approssimazione, nell'intorno della Tc, perché, classicamente, ρ(T) = ρ0 + BT 5

Nel 1933 i tedeschi Walter Meissner e Robert Ochsenfeld trovano, in laboratorio, il cosiddetto 'effetto
Meissner' di levitazione magnetica, con espulsione del campo magnetico
con generazione di correnti persistenti, dovuto alla perfetta diamagneticità del SC di tipo I. E' noto che un
magnete in moto relativo può indurre correnti in una spira o anello di un ordinario materiale conduttore se
vi si verifica una variazione di flusso magnetico; inoltre, nel ferromagnetismo, ad es., in un cilindro metallico
inserito in un campo magnetico esterno, viene magnetizzato con una magnetizzazione concorde col
campo esterno. In un superconduttore, invece, si verifica un particolare fenomeno, dalla doppia
significatività: se un anello superconduttore viene inserito in un campo magnetico esterno questo prende a
'galleggiare' nel campo stesso in posizione di equilibrio stabile (effetto Meissner-Ochsenfeld), anche
dinamicamente (se viene posto in rotazione questa viene mantenuta) comportandosi da perfetto
diamagnete, con espulsione completa delle linee di flusso del campo esterno, a causa dell'insorgere di
correnti 'specchio', che annullano completamente il campo risultante all'interno del superconduttore
attraverso una magnetizzazione opposta.

Se poi il campo magnetico esterno viene rimosso, a causa della resistività nulla del materiale, restano
persistenti correnti molto intense all'interno del superconduttore (fenomenologia delle correnti persistenti).

Nei decenni successivi furono scoperti altri materiali superconduttivi, metalli, leghe e composti: nel 1941
del nitrato di Niobio fu trovato supercondurre a 16°K, nel 1953 un composto di vanadio e silicio mostra la
superconduzione a 17,5°K. Nel 1962 alcuni tecnici laureati della Westinghouse svilupparono il primo filo
superconduttore per usi commerciali, in lega di Niobio e Titanio (NbTi). Di conseguenza furono sviluppati
nel 1960 magneti superconduttori per la fisica delle alte energie in Inghilterra, nel laboratorio Rutherford
che furono impiegati per la prima volta al Tevatron del Fermilab di Chicago nel 1987.

Gli anni '80 segnarono il passo nella superconduttività. Nel 1964 Bill Little della Stanford University aveva
suggerito la possibilità di superconduttori basati sulla presenza di atomi di Carbonio. Il primo di tali

superconduttori fu sintetizzato nel 1980 dal danese Klaus Bechgaard dell'Università di Copenaghen e da
una squadra costituita da tre ricercatori francesi. Tale materiale, definito (TMTSF)2PF6 necessita però di
essere raffreddato fino a 1,2°K e soggetto ad elevate pressioni per supercondurre. Ma ciononostante era
un inizio per la produzione importante di superconduttori al Carbonio, precursori del Fullerene.
Nel 1986 una dirompente scoperta sperimentale venne effettuata da due ricercatori svizzeri, Alex Mueller e
Georg Bednorz, nel laboratorio IBM di Ruschlikon, che realizzarono un composto ceramico che
superconduceva a 30°K, cosa che era stata dimostrata impossibile da alcuni fisici teorici alcuni anni
prima...; costituenti del superconduttore ad alta Tc erano il Lantanio, Bario, Rame ed Ossigeno, ma tuttavia
il nuovo materiale si comportava in un modo non ben capito dagli artefici della scoperta. La scoperta
sperimentale, comunque, fruttò quasi subito (l'anno dopo) il premio Nobel ai due (quasi inconsapevoli)
inventori. Fu trovato poco dopo che, aggiungendo pochissimo piombo nel miscuglio il materiale riusciva a
supercondurre a ben 58°K.
Tale scoperta creò le condizioni per una 'corsa al superconduttore caldo'. Ricercatori in tutto il mondo
cucinarono combinazioni di materiali e fu presto raggiunta la temperatura critica di 92°K con un materiale
definito YCBO, raffreddabile con azoto liquido, per la prima volta.
In seguito altri progressi furono fatti aggiungendo alla ceramica di perovskite alcuni elementi esotici
(spesso anche tossici). La classe dei SC ceramici con la più alta Tc sono cosituiti da Rame e Mercurio,
realizzati per la prima volta all'università del Colorado nel 1993 ed a Zurigo, quasi simultaneamente. Il
record oggi è di 138°K con un sc al mercurio e rame con drogaggio di tallio, comprendente inoltre bario,
calcio ed ossigeno. Per tale materiale la Tc può essere alzata di altri 30°K con 300000atmosfere di
pressione.
3.Fatti empirici
Riassumiamo qui, riordinandoli, i principali fatti empirici che risultano dal fenomeno della superconduttività
A) La temperatura critica fa diminuire drasticamente a zero la resistività. Al di sotto di una certa temperatura
caratteristica si verifica improvvisamente la transizione della resistività a zero, entro l'errore sperimentale,
dell'ordine di 10-25Ωm.
B) Un perfetto diamagnetismo si manifesta al di sotto della Tc.
C) Campo, densità di corrente e temperatura critici.
La superconduttività in un certo materiale viene persa: (a) per riscaldamento sopra una certa temperatura critica
Tc, (b) aumentando la forza del campo magnetico applicato oltre un valore critico del campo Hc o (c) aumentando
la corrente elettrica che lo attraversa oltre una corrente critica Jc (effetto Silsbee). Questi parametri sono collegati:
un diagramma schematico di fase H-T è mostrato in figura al paragrafo successivo.
Il valore di Tc è ovvimente di fondamentale importanza per le applicazioni che dipendono dalla resistenza nulla,
mentre Hc controlla la possibilità o meno che i superconduttori possano essere espulsi da campi magnetici
applicati. Jc è un parametro critico per applicazioni di potenza in cui si desidera far passare alte correnti attraveso
cavi o apparati superconduttori. Poiché i superconduttori ad alta T sono tutti materiali ceramici, invece che metalli o
leghe, una delle sfide maggiori per i ricercatori è di produrli in forma di cavi o nastri in cui far fluire una corrente su
lunghe distanze con un valore grande di Jc; i valori di densità di corrente che si vorrebbero raggiungere sono
dell'ordine di 106 A cm-2.
D. Vorticosità SC di I e II tipo – Vorticosità e lo stato misto di vortice.
I cosiddetti superconduttori di tipo I hanno un diagramma di fase H-T come quello già citato sopra e riportato qui di
seguito, in cui aumentando H o T si ha un improvviso cambiamento da superconduttore a non superconduttore.
Nei superconduttori di tipo II vi è invece uno stato di transizione, il cosiddetto stato vorticoso (vortex state), o stato
misto tra i regimi di superconduttore e metallico (o 'stato normale'). In questo stato, le linee magnetiche di forza,
che sono completamente espulse nello stato superconduttore, riescono a passare nel materiale, ma solo in regioni
ristrette dette vortici. Così le linee di flusso si allacciano attraverso questi vortici. Per certe applicazioni è
necessario fissare e intrappolare i vortici all’interno del materiale. Si può sospendere un pezzo di materiale
superconduttore a mezz'aria non spra ma sotto un magnete. Ciò è possibile con superconduttori di tipo II in
condizioni H-T da stato di vortice. La Figura mostra a sinistra il principio della levitazione di un superconduttore nel
suo stato di Meissner, e a destra la sospensione di un superconduttore di tipo II nello stato vorticoso sotto un
magnete, grazie all’intrappolamento delle linee di forza.
superconduttore di tipo II nello stato vorticoso sotto un magnete, grazie all’intrappolamento delle linee di forza.
C’è molto interesse corrente sui meccanismi per bloccare le linee di flusso: sembra che difetti e impurezze possano
servire come punti di ancoraggio. Se i vortici non vengono bloccati esse si respingono a vicenda e possono
adottare una disposizione esagonale regolare, nota come reticolo di vortici (vortex lattice). Se i vortici sono disposti
in modo casuale, si parla di vetro di vortici (vortex glass).
La Figura mostra una disposizione triangolare di linee di vortici che emergono dalla superficie di un foglio
superconduttore di Pb0.98In0.02 in un campo di 80 Gauss normale alla superficie (i vortici vengono evidenziati
dalla coagulazione di piccole particelle ferromagnetiche; i vortici vicini distano circa mezzo micron).
4. Teorie interpretative della SC
Aspetti qualitativi della teoria microscopica della superconduttività
La teoria della superconduttività è molto complessa e il suo contesto proprio è quello della fisica teorica. Ci
limiteremo quindi in questa sede ad una presentazione qualitativa delle idee fondamentali, che, comunque sono di
natura quantistica. Si riporta perciò, in appendice, una rivisitazione dei principali concetti di base della teoria
quantistica.
Dopo la scoperta della superconduttività i fisici lavorarono per molti anni alla ricerca di una teoria che interpretasse
il fenomeno. Sembrò, in un primo tempo, che il reticolo cristallino non giocasse nessun ruolo nel meccanismo della
superconduzione, in quanto le indagini ai raggi X mostravano che non vi erano modificazioni della simmetria o delle
dimensioni cristalline quando il materiale diventava superconduttore.
Tuttavia, la scoperta, nel 1950, dell’effetto isotopico sulla temperatura critica Tc di elementi superconduttori, ad
opera di Maxwell, Reynolds e altri, diede una forte spinta all’ipotesi che la superconduttività dovesse essere
interpretata con un meccanismo di accoppiamento tra gli elettroni di conduzione e le vibrazioni del reticolo
cristallino. Questi autori misurarono le temperature di transizione dei diversi isotopi del mercurio e trovarono che
valeva la relazione: Tc ~ 1 / M½, con M = massa isotopica. Ciò suggerì ai fisici che la superconduttività era in
qualche modo correlata ai modi vibrazionali reticolari (che dipendono dalle masse) e non solo agli elettroni di
conduzione. I modi di vibrazione di un reticolo sono quantizzati, come lo sono quelli delle molecole isolate; i quanti
di vibrazioni reticolari sono detti fononi.
Frölich e successivamente Cooper suggerirono un modello per questo meccanismo di interazione. Si poteva
pensare che in un supercondottore si realizzasse una interazione fonone-elettrone, tale da portare ad una
attrazione fra due elettroni (fenomeno di overscreening).
Molto semplicemente, il meccanismo funziona in questo modo: un elettrone di conduzione che passa attraverso il
reticolo può perturbare alcuni ioni positivi rispetto alla loro posizione di equilibrio, attraendoli leggermente verso di
se e costringendoli ad avvicinarsi tra loro, creando così una regione a maggior densità di carica positiva (Figura).
Mentre questi ioni oscillano avanti e indietro un secondo elettrone può subire attrazione verso la regione positiva;
cioè, una tale perturbazione locale di cariche nel reticolo produce un debole potenziale attrattivo a corto raggio in
grado di catturare un secondo elettrone. L’effetto netto è che i due elettroni possono interagire tra loro usando la
vibrazione reticolare come intermediario.
Ammesso che gli elettroni possano subire questa attrazione netta, si verifica la possibilità che essi formino delle
coppie legate. La cosa potrebbe sembrare dubbia perchè in tre dimensioni due particelle devono interagire con una
certa energia minima per poter dare uno stato legato,
una condizione improbabile da realizzare in questo caso, vista la limitata entità dell’attrazione.
Cooper suggerì che questa apparentemente non plausibile possibilità potesse divenire molto probabile per
l’influenza sulla coppia interagente da parte dei rimanenti N-2 elettroni del sistema, attraverso il principio di
esclusione di Pauli. L’interazione cioè sarebbe troppo debole per legare i due elettroni se questi fossero isolati. Egli
dimostrò che in tale situazione il principio di esclusione modificava radicalmente il ‘problema dei due elettroni’ così
da rendere possibile uno stato legato per quanto debole potesse essere l’attrazione.
Questi considerazioni di Cooper si riferivano però alla situazione di una singola coppia di elettroni in presenza di
una normale distribuzione di Fermi degli altri elettroni.
Teoria BCS:
Un sostanziale passo in avanti fu la pubblicazione, nel 1957, da parte di Bardeen, Cooper e Schrieffer della teoria
microscopica della superconduttività, nota come teoria BCS, nella quale veniva definito lo stato fondamentale
collettivo degli elettroni di un superconduttore.
Le principali assunzioni della teoria BCS sono le seguenti.
In certe condizioni in un metallo possono esistere forze attrattive tra coppie di elettroni causate dalle interazioni con
i fononi e forze repulsive coulombiane.
Quando l’effetto combinato è attrattivo il metallo può divenire superconduttore. In un superconduttore gli elettroni
sono condensati in coppie (di Cooper). Gli elettroni sono appaiati in modo tale che ogni coppia, nello stato di
minore energia, presenta vettore d’onda totale nullo (cioè momento totale uguale a zero) e spin totale nullo (cioè
stato di singoletto).
In un metallo normale gli stati elettronici collettivi possono essere descritti in termini di stati monoelettronici.
Il modello BCS parte dall’idea base che uno stato collettivo deve essere descritto in termini di coppie elettroniche
(stati di due elettroni). Poichè ogni coppia è associata al prodotto delle funzioni d'onda di due stati di elettrone
singolo , |k, σ› e |k’, σ’›, dovendo, nella distribuzione degli elettroni dei livelli, far valere e il principio di esclusione e
quello di minimizzazione dell'energia libera, lo stato elettronico collettivo a minore energia, indicato come ΨBCS, che
deve essere costituito da coppie fattorizzate di funzioni d'onda, per il principio di Pauli deve cambiare segno per
ogni scambio dei due elettroni, deve cioè essere antisimmetrica. Ciò comporta che i due elettroni della coppia
devono avere sia spin opposto, ed analogamente anche il valore d'onda, per rispettare la simmetria traslazionale
prevista, cioè |k, ↑ › e |-k, ↓ ›. Lo stato fondamentale BCS può essere descritto nel modo seguente: i due stati spinorbitali di una coppia sono simultaneamente occupati da due elettroni. Nello stesso tempo, non essendo più valido
il modello a elettroni liberi, come nelle ipotesi di previsione della distribuzione Fermi-Dirac, si genera, intorno al
livello di Fermi, un 'gap' di energia, ovvero una banda proibita. Questo fa sì che diventi energeticamente molto
poco probabile la separazione di una coppia.
L’energia minima per creare un singolo elettrone libero da una coppia è indicata con Δ (il valore di Δ è definito gap
di energia di un superconduttore). Poichè devono essere eccitati tutti e due gli elettroni di una coppia (cioè di uno
stato bielettronico) l’energia minima richiesta per una eccitazione, a 0 K, è Δ E = 2 Δ
Il numero di ‘elettroni liberi’ cresce al crescere della temperatura sopra lo zero assoluto. La creazione di un
elettrone libero, cioè in uno stato |k, ↑ › senza un partner nello stato |-k, ↓ ›, impedisce la formazione di uno stato
bielettronico |k, ↑ ›,|-k, ↓ ›. Le coppie di Cooper sono quindi sfavorite al crescere del numero di elettroni liberi (cioè
al crescere della temperatura) e diminuisce anche il gap ΔE, fino ad annullarsi alla temperatura critica Tc, alla quale
si verifica una transizione di fase del secondo ordine dallo stato superconduttore allo stato metallico normale. Si
può dimostrare che la temperatura critica Tc è proporzionale al Δ a 0 K, e che vale la seguente formula
fondamentale:
Δ(0 K)/kBTc = 1.76
I valori sperimentali del rapporto 2 Δ(0 K)/kBTc sono noti e ben misurati.
5. Applicazioni
La superconduttività è uno dei più lampanti esempi di come la meccanica quantistica sia alla base di numerosi
fenomeni macroscopici e di importanti applicazioni presenti, nella vita quotidiana. La tecnologia superconduttiva si
applica nei settori di potenza (elettrotecnico) e dei circuiti miniaturizzati (elettronica).
Le principali applicazioni sono di tipo elettronico ed, in questo caso, in particolare, si tratta, spesso, di applicazioni
dell'effetto tunnel Josephson, in particolare giunzioni J. oltre ad essere utilizzati in alcuni moderni laser a
semiconduttori, vengono integrate in microchip (nelle RAM) come elementi di commutazione veloce (fast switching)
nei computer crioscopici e quindi usati insieme ai materiali semiconduttori, e le doppie giunzioni J. denominate
SQUID (Superconductor Quantistic Interference Device), magnetometri ad altissima sensibilità, vengono utilizzati in
medicina nell'elettroencefalografia di precisione.
Come suddetto, esiste un limite massimo, per la corrente che può fluire senza dissipazione in un superconduttore,
oltre il quale il materiale ritorna nella fase normale (resistivo). Tale limite prende il nome di “corrente critica” Ic e
dipende dalla temperatura e dall’eventuale campo magnetico B presente.
Per sfruttare, quindi, la fase superconduttiva di un materiale è pertanto assolutamente necessario osservare i
seguenti principali limiti:
- la temperatura operativa deve essere inferiore a quella critica di transizione, “Tc”;
- il campo magnetico esterno esercitato deve essere inferiore a quello critico “Bc”;
- la corrente di trasporto deve essere al disotto di quella critica, “Ic”.
I valori di queste grandezze, Tc, Bc, Ic dipendono dal materiale scelto.
Fondamentalmente, i superconduttori vengono utilizzati grazie alla loro proprietà diamagnetica e per la loro
capacità di opporre scarsa resistenza al passaggio della corrente.
Per questo i principali utilizzi sono i seguenti:

magneti superconduttori in grado di generare campi magnetici di intensità molto elevata (intorno ai 10T,
cioè circa un milione di volte il campo magnetico terrestre!) su volumi di parecchie decine di metri cubi,
cosa impossibile da realizzarsi con i magneti tradizionali. Il prezzo che si deve pagare per ottenere tutto
questo, non è solo quello dovuto all’energia necessaria a raffreddare i superconduttori, ma è anche
l’elevato grado di tecnologia criogenica necessario al mantenimento di temperature molto basse.
L’impiego più diffuso e consolidato della tecnologia dei superconduttori è quindi rappresentato dai magneti
ad alto campo, la cui applicazione è vastissima e per i quali vengono maggiormente utilizzati gli LTS, come
il NbTi e il Nb3Sn, perché più sviluppati a livello industriale.
Gli HTS, per il momento sono invece più utilizzati per le linee di trasporto di corrente elettrica e
nell’elettronica.

Solenoidi di piccole dimensioni, fino a 20T, sia per la ricerca che per la spettroscopia NMR (Nuclear
Magnetic Resonance) che per la MRI (Magnetic Resonance Imaging) . E’ richiesta alta omogeneità di
campo e stabilità temporale.

Solenoidi di grandi dimensioni essenzialmente per gli impianti per la fusione termonucleare
controllata, un traguardo importantissimo che risolverebbe tutti i problemi energetici attuali e futuri del
pianeta terra. La fusione nucleare, infatti, è rimasto uno dei grandi traguardi da raggiungere. Se il reattoreprova a fusione nucleare ITER dovesse dare i frutti sperati, una nuova era ci attende alle porte; tutto
questo grazie ai superconduttori.

Magneti per la fisica delle alte energie, sia per focalizzare ed accelerare i fasci di particelle negli
acceleratori, sia per i rivelatori delle particelle stesse. Ne è un esempio la massiccia installazione di
superconduttori nel più potente acceleratore di particelle del mondo LHC costruito di recente a Ginevra. La
potenza raggiunta, grazie agli enormi campi magnetici esercitati, raggiunge valori tali che lo rendono, di
fatto, il migliore del mondo, superiore, quindi, anche al fermilab di Chicago.

Accumulatori in grado di conservare energia per un arco di tempo massimo voluto. Tale utilizzo è stato
dimostrato negli anni sessanta, quando venne corroborata l’ipotesi che un superconduttore fosse in grado
di mantenere la corrente superficiale indotta per lungo tempo; nell’esposizione, infatti, dopo alcune
misurazioni, si evinse che la corrente si era mantenuta allo stesso valore di due anni prima. Un risultato
sorprendente! E' allo studio, infatti, la possibilità di immagazzinare l'energia elettrica prodotta in eccesso
dalle centrali di notte per far fronte ai picchi diurni di assorbimento, di solito localizzati alle ore 11 della
giornata. Tale applicazione aumenterebbe il rendimento energetico del sistema elettrico, portando ad una
drastica riduzione degli sprechi.

sistemi di trasporto basati sulla levitazione magnetica, dove sono richiesti campi magnetici elevatissimi.
Questo tipo di trasporti trova impiego nelle nuove ferrovie nipponiche di ultima generazione che sfruttano la
repulsione magnetica, dovuta all’effetto Meissner-Ochsenfeld, per eliminare il contatto con la rotaia e
ridurre, quindi, sensibilmente, l’attrito dinamico del treno che vi transita, permettendo a quest’ultimo di
raggiungere velocità circa pari a 575 Km/h, un traguardo davvero sensazionale, del tutto fuori paragone
rispetto al nostro”freccia rossa”. 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.
Un traguardo non utopico, dato che è in progetto una linea diretta sottomarina per il collegamento UE-USA,
con un treno che sfiorerà i 4000 Km/h.
Fig. 2.6: alcuni treni realizzati con tecnologia
superconduttiva.

rivelatori di campo magnetico ad alta precisione,SQUID, i quali sono ipersensibili alle minime variazioni di
campo magnetico. Tali dispositivi vengono usati per lo studio di malattie cerebrali e per lo studio del
funzionamento del nostro cervello, organo ancora non del tutto conosciuto e dal funzionamento ancora
arcano alla scienza odierna. Ciò che è innegabile è che, mediante l’utilizzo di tali apparecchi, il progresso
scientifico in tale direzione farebbe passi da gigante.
Il biomagnetismo è certamente un'altra area di interesse applicativo per i superconduttori. La medicina
richiede sempre più tecniche non invasive per determinare lo stato di salute degli organi nel corpo umano.
Sfruttando il diamagnetismo "perfetto" dei superconduttori, è possibile ottenere, in limitate regioni spaziali
esterne al superconduttore, un notevole addensamento delle linee di forza di un eventuale campo
magnetico esterno. Ciò consente di ottenere un'intensificazione del campo magnetico locale, che può
essere sfruttata per cedere energia agli atomi di idrogeno presenti nelle molecole di acqua e di grasso nel
corpo umano. Questi atomi rilasciano successivamente la loro energia con una frequenza che può essere
rivelata e successivamente analizzata per mezzo di un computer, ottenendo quindi l'immagine dell'organo
in studio.

Macchine elettriche ad alto numero di giri al minuto: grazie ai “cuscinetti magnetici” provocati dai
superconduttori, sarà possibile eliminare in buona parte l’attrito e costruire, così, motori elettrici con coppie
e numero di giri/min molto piùalti rispetto alle macchine elettriche attuali.
In questi ultimi tempi si stanno sviluppando generatori superconduttivi collegati ad aerogeneratori, per
rispondere al crescente fabbisogno energetico dei paesi sviluppati ed in via di sviluppo, nell’ottica di
implementare, specialmente in Europa, l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili e non inquinanti.
Lo strumento per la conversione di energia meccanica (eolica o idrica) in energia elettrica è rappresentato
dalle macchine elettriche sincrone, ed un notevole margine di miglioramento nelle loro prestazioni è
rappresentato dall’incremento della potenza da esse sviluppata, che, nelle macchine tradizionali, è limitato
dall’eccessivo aumento delle dimensioni che questo comporterebbe.
Fig.4: dimensioni vs. potenza in un generatore sincrono
sincrono
Fig.5: peso vs. potenza in un generatore
Ed ecco in che modo entrano in gioco i suddetti superconduttori.
E così, proprio perché sono in grado di portare una corrente circa 20 volte superiore, a parità di dimensioni rispetto
ai conduttori tradizionali (fig. 4,5), consentono un notevole aumento della potenza, mantenendo il volume
contenuto e migliorando, inoltre, le prestazioni.
Infatti una macchina sincrona superconduttiva ha un’elevata efficienza (fig.6) anche a bassi regimi, quindi, per
esempio, una pala eolica è in grado di funzionare anche quando la velocità del vento sia troppo bassa.
Fig 6
Un prototipo che dimostra non solo la fattibilità, ma tutte le potenzialità di un generatore elettrico che impieghi i
superconduttori è stato sviluppato dalla Siemens, che ha dato il “La” a tutte le competenze in campo per
ottimizzare il progetto.
Trasporto di energia elettrica dalle centrali di produzione fino all’utenza.
La prima applicazione che viene in mente è sicuramente quella della trasmissione di energia senza perdite. Grazie
alla superconduttività, infatti, è possibile trasportare una enorme quantità di energia con dimensioni del mezzo
trasportatore relativamente piccole (guardare grafico precedente PESO/POTENZA)
Un esempio di questa importante applicazione è stata realizzata recentemente dalla Pirelli. Questa nota società
italiana ha iniziato nel luglio 2001 l'installazione dei primi cavi elettrici a superconduttore in una stazione della
metropolitana di Detroit negli USA. I tre cavi, lunghi oltre 100 m, rimpiazzano ben nove cavi normali di rame e,
quando alimentati, portano 100 MW a 14000 utenti di Detroit. 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.
Un’opera dalle discrete proporzioni, ma dalla magnifica importanza, dato che getta le basi per un futuro massiccio
utilizzo dei superconduttori per il trasporto, a dispersione zero, di energia elettrica.
Riusciranno i superconduttori rivoluzionare la civiltà che conosciamo?
Un secolo di superconduttività e di continue affascinanti scoperte, ci “superconduce” a rispondere positivamente!
Tesina Superconduttività
Candidato: Matteo Tumminia
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