Un percorso didattico sulla superconduttività. Marisa Michelini, Alberto Stefanel Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica

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1 Un percorso didattico sulla superconduttività Marisa Michelini, Alberto Stefanel Rossana Viola Unità di Ricerca in Didattica della Fisica 1

2 La superconduttività Superconduttività per studenti di scuola secondaria Aspetti integrati in un percorso fenomenologico Storico Fenomenologia applicazioni DIMENSIONE DI RICERCA Come affrontano gli studenti i principali nodi interpretativi? Come rielaborano gli insegnanti le proposte? 2

3 Minds-On experimental equipment kits in Superconductivity and ElectroMagnetism for the continuing vocational training of upper secondary school physics teachers MOdelling and data acquisition for the continuing vocational training of upper secondary school physics teachers in pupil-active learning of Superconductivity and ElectroMagnetism based on Minds-On Simple ExperiMents LIFELONG LEARNING PROGRAMME Leonardo da Vinci 3

4 Materiali didattici LOW & HIGH TECH KIT Magnetic interactions, E.M. induction, Eddy currents 4

5 Il percorso di SC comprende 2 parti 1) Proprietà magnetiche del superconductore - Effetto Meissner - Induzione E.M. E correnti indotte per una analogia interpretativa - Effetto pinning 2) Resistività vs temperatura Critical temperature for a superconductor Diverse prospettive: Storica Esplorazione di fenomeni Applicationi Il percorso di ragionamenti prende avvio dall effetto Meissner Focalizzando alla comprensione corretta dell effetto nell ambito delle interazioni magnetiche How students face the main interpretative knots? 5

6 Superconduttività 2 studi sui materiali divulgativi di ASIMMETRIE dell INFN - anno 4 n.8, 2009 Contro ogni resistenza di Pasquale Fabbricatore (GE) Salutari risonanze Magneti dal superfreddo di Lucio Rossi Marisa Michelini e Unità di ricerca in Didattica della Fisica dell Università di Udine Indagine presso gli insegnanti con l AIF CF 2010 pareri degli insegnanti esperti Corso in M-IDIFO Progettazione di impiego degli articoli nella didattica 6

7 Piano Lauree Scientifiche IDIFO3 Innovazione Didattica In Fisica e Orientamento il contributo della ricerca in didattica della fisica nel Progetto PLS In due contesti Nazionale 18 sedi Locale: Udine e il FVG Problematiche 1. Formazione degli insegnanti 2. Innovazione didattica 3. Orientamento formativo CONTENUTI Fisica Moderna Fisica in contesto METODI Didattica laboratoriale, IBL, costruzione di competenze STRUMENTI: TIC e MM

8 Proposte e bisogni degli insegnanti Proposte progettuali in IDIFO3 2 impostazioni che integrano nella didattica i materiali disponibili - Lettura + Questionari: strumenti ad hoc - Trattazione di cui gli articoli sono uno strumento Impiego articoli divulgativi: Come? 1. Lettura aggiuntiva: Importante che i ragazzi leggano articoli come questi (50%) 2. Approfondimento (50%) 3. Racconto motivante per iniziare un tema (40%) 4. Sfruttarlo nell ambito del tema previsto sulla fisica dei materiali PROBLEMI insegnanti 1. Difficoltà per mancanza di parte sperimentale 2. Solo dopo aver fatto tutti i prerequisiti 3. Approfondimento personale per riferire in classe soprattutto delle applicazioni 8

9 Un percorso per la costruzione di strumenti concettuali per interpretare linee di campo (costruzione operativa) Il concetto di flusso di B 9

10 La proposta didattica Strumenti concettuali: linee di campo (costruzione operativa) Il concetto di flusso di B La natura vettoriale di B e la composizione 10

11 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 Dalle linee di campo magnetico allo studio dell induzione em B: intensità campo a centro sezione D:diametro sezione tubo flusso N D (cm) B (Gauss) B (Gauss) 1 0,3-74,8 4,1 2 0,5-69,3 2,8 3 0,7-47,4 1,7 4 0,9-31,7 1,9 5 1,15-20,6 0,5 6 1,4-13,7 0,8 7 1,7-10,1 0,7 8 1,9-7,5 0,4 9 2,2-5,9 0,3 10 2,6-4,5 0, ,9 0,5 12 3,5-3,5 0,3 13 4,1-3,3 0,0 14 4,50-2,6 0,2 15 4,75-2,6 0,6 B*D^2=cost costanza del flusso 11

12 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 Dalle linee di campo magnetico allo studio dell induzione em 12

13 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 Dalle linee di campo magnetico allo studio dell induzione em 13

14 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 N=5 =5 mm - 30 mm F i ( W e b e r * ) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Flusso vs S S (cm 2 ) y = 0,077x + 0,025 R² = 0,998 Serie1 Lineare (Serie1) University of Udine Alberto Stefanel,

15 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 Dalle linee di campo magnetico allo studio dell induzione em Il ruolo del flusso del campo magnetico E della sua variazione nel tempo (B) t = - E f.e.m. 15

16 Esperimenti e modelli studio dell induzione em To the PC Indipendente da velocità 16

17 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 Dalle linee di campo magnetico allo studio dell induzione em To the PC Uguali ed opposte 17

18 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 Dalle linee di campo magnetico allo studio dell induzione em To the PC D2 D1 D2>D1 18

19 Esperimenti e modelli in MOSEM 2 Dalle linee di campo magnetico allo studio dell induzione em To the PC E ind = (t)/ t t E ind dt = (t) ti 19

20 Esempio di percorso concettuale * Esplorazione preliminare con bussole e magneti L YBCO (YBa 2 Cu 3 O 7 ) a T ambiente non interagisce con magneti * A basse temperature, in un bagno di azoto liquido (77K) interagisce con i magneti. Compare la levitation Sono cambiate le proprietà del magnete? Sono cambiate le proprietà dell YBCO? Come? Come possiamo interpretare I cambiamenti osservati? 20

21 Quando si raffredda il sistema 1. Il magnete levita 2. Si può passare sotto la pinza 3. Se lo si sposta un po, oscilla attorno alla posizione di equilibrio locale 4. Se si usa un cubetto magnetico ruota finchè il suo asse magnetico diventa quasi orizzontale 5. Se mettiamo un magnete vicino a dove si trova l YBCO freddo, si ha sempre un effetto repulsivo Il disco di YBCO a T=T azoto respinge il magnete in ogni caso? 21

22 Sono cambiate le proprietà del magnete? Le sue interazioni con gli altri oggetti (non YBCO) sono qualitativamente (ed essenzialmente quantitativamente) immutate a T amb e a T azoto. il campo magnetico B misurato attorno al magnete (con una sonda) ha la stessa intensità e direzione Sono cambiate le oproprietà dell YBCO? Prima a T amb il disco di YBCO non interagiva con il magnete Dopo a T azoto il disco di YBCO interagisce fortemente con il magnete Sì (solo) le proprietà magnetiche dell YBCO sono cambiate In che modo? IPOTESI 22

23 L YBCO diventa un magnete e interagisce con un altro magnete che gli affaccia lo stesso polo? Sospensione magnetica Levitazione magnetica Tubo che li vincola affacciati MAGNETE MAGNETE MAGNETE liberi SUPERCONDUTTORE YBCO NO! non sono lo stesso fenomeno, infatti 23

24 NO! due magneti liberi (su zatterine galleggianti) ruotano per attaccarsi con i poli opposti L YBCO a T= T azoto Non è come un magnete: non ruota per attaccarsi (dipolo magnetico) NON MANIFESTA INTERAZIONI CON MAGNETI SENZA UN MAGNETE VICINO 24

25 N S S N L YBCO diventa un magnete? se si rovescia il magnete (rotazione di 180 ), la levitazione avviene nello stesso modo: c è sempre un effetto repulsivo. No: l YBCO non è diventato un magnete è diventato ferromagnetico? 25

26 L YBCO diventa un oggetto ferromagnetico? L YBCO a T= T azoto si comporta magneticamente senza un magnete vicino? Proviamo se interagisce con un fermaglio metallico: NO!!! NON MANIFESTA INTERAZIONI CON MAGNETI SENZA UN MAGNETE VICINO! Quando un magnete interagisce con un oggetto ferromagnetico c è attrazione in questo caso notiamo repulsione No: l YBCO non è diventato ferromagnetico 26

27 Quali proprietà magnetiche stiamo analizzando? - Esplorazione dell interazione del magnete con diversi tipi di materiale (alluminio, acqua, legno, grafite, solfato di rame) appesi in una bilancina. Materiali Diamagnetici: evidenziano «proprietà magnetiche repulsive solo in presenza del magnete La grafite pirolitica sospesa Il disco di YBCO a bassa temperatura diventa diamagnetico 27

28 I fenomeni diamagnetici sono generalmente deboli, mentre in questo caso sono forti. Per capire, studiamo ciò che accade dentro l YBCO: Il campo magnetico B entra nell YBCO? Facciamo un sandwich magnete YBCO lastra di ferro - A T=Tambiente si può sollevarlo afferrando il magnete Sappiamo che il magnete non ha effetti sull YBCO a questa temperatura, così c è un azione del magnete sul ferro Il campo del magnete arriva al ferro passando attraverso l YBCO ci può essere un campo magnetico nell YBCO - A T=T azoto questo effetto sparisce e non si può sollevare il sandwich (a meno di effetto pinning) - il campo del magnete non arriva al ferro e si deve concludere che esso è trascurabile attraverso l YBCO Il campo magnetico nell YBCO alla T=T azoto è trascurabile 28

29 La fenomenologia nota dell e-m per Campo magnetico prodotto da correnti avviare analogie Fenomeni riconducibili all induzione e-m Fenomeni di induzione e-m in cui si sperimentano correnti indotte 29

30 E.M. Induction and eddy currents 30

31 E.M. Induction and eddy currents 31

32 Force sensor To the interfaced - PC 32

33 La proposta didattica Strumenti concettuali: linee di campo (costruzione operativa) Il concetto di flusso di B ( (B)) La legge Faraday Neuman Lenz (ruolo (B)/ t ) S2 (B)/ t = ( S2 ( t) - S2 (0))/ t= ( S2 (B) - MAX (B))/ t <0 Bo 2 S2 S2 (B)< MAX S N 0 S N S0 (B) MAX 1 S 1 S1 S1 (B)< MAX S1 (B)/ t = ( S1 ( t) - S1 (0))/ t= ( MAX (B) - S1 (B))/ t >0 33

34 La proposta didattica Strumenti concettuali: linee di campo (costruzione operativa) Il concetto di flusso di B ( (B)) La legge FNL (ruolo (B)/ t qualitativo quant/form) S N 2 0 I ind DL S2 -F B o S N F -F = I ind ( L B) F = -(-F) 1 S 1 S1 34

35 Costruisco una corrispondenza tra - il frenamento del magnete in presenza di un conduttore - la levitazione Se il conduttore è perfetto (R=0) e Se la corrente inizialmente indotta dal magnete NON SI FERMA Il Superconduttore è un sistema con B=0 e R=0! 35

36 Studio la dipendenza dalla temperatura della resistenza elettrica 36

37 Raffreddamento in azoto liquido Riscaldamento per stati di equilibrio 37

38 Effetto Meissner ed Effetto pinning 38

39 Treno pinning 39

40 Applicazioni trasporto di energia più veloce, pulito, sicuro immagazzinamento di energia pulita produzione di energia pulita immagini mediche più veloci e meno dolorose misure scientifiche più precise comunicazioni wireless più efficienti 40

41 La nascita delle bande di energia Quando atomi isolati si combinano per formare una struttura cristallina, I livelli energetici degli elettroni cambiano drasticamente vqm/html/eband.html (Zollman s simulation) 1 atom 41 atoms 41

42 Proprietà elettriche le proprietà elettriche di un solido cristallino dipendono dalle paricolari caratteristiche della struttura a bande e dalla presenza di elettroni in banda di valenza 42

43 Cosa succede microscopicamente in un superconduttore? Teoria di Bardeen, Cooper e Schrieffer (BCS, 1957) Gli elettroni si muovono e si urtano liberamente all interno del reticolo Gli elettroni si accoppiano e si muovono coerentemente in fase: il primo elettrone disegna una traccia nel reticolo in cui il secondo viene risucchiato 43

44 Il meccanismo: le coppie di Cooper Perché in un superconduttore gli elettroni si accoppiano? 44

45 Grazie per l attenzione! marisa.michelini@uniud.it 45