Il fenomeno della superconduttività fu scoperto nel mercurio nel 1911 dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, [1] che anche per questo motivo

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2 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 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 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, T c 138 K (-135 C); è un composto ceramico a base di mercurio, bario, calcio, rame e ossigeno (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ ) ottenuto per sostituzione del tallio. [2]

3 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 superconduttivà.ginzburg e Landau hanno ricevuto il Nobel per la fisica nel 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 Alexi A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Antony J.Leggett

4 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.

5 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 :

6 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.

7 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

8 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.

9 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

10 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.

11 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

12 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.

13 "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

14 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.

15 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.

16 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.

17 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.

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21 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

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26 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

27 - ABDUL KAMAL - ARGANTE DAMIAN - CARELLO VALERIO - DANIELE PIRONE - ROSMARINO EMANUELE Docente (referente PLS) prof. Antonio Pranzo

28 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.

29 Superconduttività-Fenomenologia dott. Matteo Salvato Dipartimento di Fisica- Università Tor Vergata /index.html