martedì 16 febbraio 2016

I Superconduttori


 Qualche mese fa abbiamo scoperto come raggiungere temperature prossime allo Zero Assoluto, ma ci siamo solo limitati ad accennare al fatto che la materia si comporta in maniera curiosa in queste condizioni. Oggi invece tratteremo di un'intera classe di materiali che manifesta caratteristiche davvero insolite a basse temperature: i Superconduttori. Si tratta di materiali che non ostacolano in alcun modo lo scorrere della corrente elettrica al loro interno. Un esempio delle loro applicazioni è la levitazione magnetica, che potete vedere nell'immagine qui a fianco e che approfondiremo in questo post. Ma come funzionano questi materiali? Sono davvero così portentosi o presentano dei limiti?


Prima di cominciare però è d'obbligo dire qualcosa sulla scoperta delle onde gravitazionali, annunciata lo scorso Giovedì. Si tratta sicuramente di un importante passo in avanti, ma vorrei aspettare prima di parlarne per due ragioni:
  • Il web sarà presto intasato di articoli sulle onde gravitazionali
  • Si tratta di un argomento abbastanza complesso, e per trattarlo come si deve bisogna costruire delle basi.
La Scoperta dei Superconduttori

Heike Kammerling Onnes
 L'avvento dei superconduttori è strettamente legato alla figura di Heike Kammerlingh Onnes, un fisico olandese. Onnes ebbe un ruolo da protagonista nello studio della materia a bassissime temperature, al punto da ricevere il premio Nobel per essere riuscito a produrre dell'Elio liquido.

 Era il 1911, e Onnes stava studiando il comportamento di un campione di mercurio a bassissime temperature. In particolare, Onnes si domandava se la resistenza elettrica di quest'ultimo subisse alterazioni in queste condizioni. In effetti, la fisica di quegli anni prevedeva che la corrente elettrica incontrasse sempre meno difficoltà a scorrere all'interno di un materiale mano a mano che questo veniva raffreddato. 

 Di fatto l'iter seguito da Onnes non era nulla di complicato:
  1. Si portava il mercurio a temperatura criogenica.
  2. Si faceva scorrere al suo interno una corrente elettrica.
  3. Si misurava la resistenza del campione.
  4. Si abbassava nuovamente la temperatura e si ripeteva la misura.
 Inizialmente la ricerca di Onnes diede i risultati attesi, ma a 4,12 gradi Kelvin *(ricordo che 0 gradi Celsius corrispondono a 273 gradi Kelvin) accadde l'impensabile: la resistenza del mercurio scomaparve senza preavviso. La corrente elettrica poteva fluire indisturbata al suo interno. Era l'alba dei superconduttori.
Gli altri Superconduttori

 La scoperta di Onnes non passò certo inosservata, e ben presto vennero identificate altre sostanze che presentavano lo stesso comportamento del mercurio a basse temperature.

Elio liquido
 Vale la pena di menzionare il caso del piombo, che diventa superconduttore a 7,22 Kelvin. Si pensò di utilizzare questo metallo per testarne la resistenza elettrica a bassissime temperature. Venne quindi costruito un anello di piombo superconduttore e vi si fece scorrere una corrente molto intensa. L'obiettivo era misurare quanto tempo bisognava aspettare perché l'intensità della corrente si affievolisse in maniera consistente. Tuttavia, questa continuò a scorrere nell'anello per più di due anni e mezzo senza che si potesse osservare alcuna variazione!

 La lista dei superconduttori si allungò rapidamente, fino a comprendere migliaia di sostanze. Quasi tutte queste diventano superconduttori a temperature inferiori a 20 Kelvin, che sono raggiungibili solo mediante l'utilizzo di Elio liquido. Tuttavia l'Elio liquido è molto difficile da produrre (è raro e costoso), pertanto la ricerca si è data da fare per identificare un materiale che presentasse la superconduttività a temperature maggiori.

 Così, non solo vennero identificate sostanze che diventano superconduttori a più di 20 Kelvin, ma fu individuata una caratteristica interessante:
"Alcune sostanze diventano superconduttori a temperature maggiori se sottoposte a pressioni elevate."
Questo fenomeno non ha ancora avuto una giustificazione soddisfacente, ma promette di rivoluzionare l'uso dei superconduttori.

 Ad oggi il record di temperatura per diventare un superconduttore è detenuto dall'Acido Solfidrico **(la cui superconduttività è stata scoperta solo nel 2015!) . La temperatura di transizione è di appena 200 Kelvin (circa meno 70 gradi Celsius), ma solo se questo è sottoposto all'incredibile pressione di 150 gigapascal (circa un milione e mezzo di volte la normale pressione atmosferica).

L'Effetto Meissner e il Supermagnetismo

Walther Meissner
 Chiunque conosca anche solo un accenno di elettromagnetismo potrebbe aver già fiutato un altro interessante utilizzo dei superconduttori: servirsene per produrre campi magnetici eccezionalmente intensi. Riuscire a produrre questi campi porterebbe a importanti sviluppi scientifici, ad esempio impiegandoli negli acceleratori di particelle. Chiediamoci quindi se sia possibile sfruttare i superconduttori per creare un tale campo.

 Di norma è possibile generare un campo magnetico semplicemente facendo fluire della corrente elettrica in un circuito. L'intensità del campo così prodotto tenderà ad aumentare se viene incrementata la corrente che lo genera.

 Concretamente però esiste un limite all'intensità del campo magnetico realizzabile in questo modo: prima o poi il circuito diventerà rovente a causa della grande quantità di energia dissipata dalla sua resistenza elettrica. A questo punto le possibilità sono due:
  • o il circuito si fonde
  • o la resistenza elettrica del circuito, legata alla sua temperatura, diventa così elevata da impedire alla corrente di scorrere al suo interno.
 In breve, è impossibile produrre campi magnetici eccezionalmente utilizzando materiali ordinari.

 Il discorso cambia però con i superconduttori. Come abbiamo visto, è possibile annullare la resistenza elettrica di alcune sostanze portandole a basse temperature. In questo modo si può pensare di far scorrere un'intensissima corrente elettrica all'interno di un materiale senza temere di fonderlo o di far aumentare la sua resistenza. Sembrerebbe quindi possibile produrre un campo magnetico straordinariamente intenso mediante l'impiego di superconduttori.

 Un circuito simile è effettivamente realizzabile, ma ancora una volta qualcosa va storto: lo chiamiamo Effetto Meissner, e lo spieghiamo così:
"Un superconduttore è perfettamente diamagnetico."
Questo significa sostanzialmente che i materiali superconduttori tendono ad espellere il campo magnetico dal loro interno. Ciò si verifica perché il superconduttore ha una naturale tendenza a generare al suo interno un campo magnetico opposto a quello in cui è immerso. Questo fa sì che tra il superconduttore e il circuito che genera il campo magnetico esterno si eserciti una forza repulsiva, che può portare anche a questo:

 tratto da https://www.youtube.com/watch?v=ONVLC00RqF0

  Tuttavia, se il campo che si forma all'interno del superconduttore diventa troppo intenso è possibile che questo vada ad ostacolare il fluire della corrente interna stessa. Il materiale perderebbe quindi la superconduttività. Sembra quindi che anche con i superconduttori non sia possibile ottenere il supermagnetismo. Questi consentono comunque di produrre campi magnetici di intensità molto elevata, e trovano quindi diversi utilizzi (acceleratori di particelle, treni a levitazione magnetica,...)

Conclusioni

 La materia a bassissime temperature tende a comportarsi in modo strano, ad esempio non ostacolando in alcun modo il fluire della corrente elettrica. È quindi evidente che la ricerca si sia interessata sempre più a questa classe di materiali, al punto che oggi si contano migliaia di superconduttori. Infine ci siamo chiesti se fosse possibile utilizzare queste sostanze per generare un campo magnetico particolarmente intenso. Ciò è effettivamente possibile, ma esistono comunque dei limiti all'intensità del campo realizzabile in questo modo.
Grazie per aver letto fin qui,

Giulio




Immagini tratte da:
www.techrumors.it
www.myfirstbrain.com
http://www.treccani.it/scuola/tesine/materia/3.html 
https://it.wikipedia.org/wiki/Walther_Meissner 

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