CONDUTTORI E SUPERCONDUTTORI Vera Montalbano Dipartimento di Fisica Università di Siena Riserva Naturale del Pigelleto 5-8 settembre 2011 Mille e una energia: dal sole a Fukushima
CARICHE ELETTRICHE E CONDUZIONE CARICHE ELETTRICHE q 2 tipi : + e e, multipli interi Interagiscono tra loro con la legge di Coulomb F C = kqq/r 2 Campo elettrico E F C = qe Linee di campo Forza energia potenziale campo elettrico E potenziale elettrico V
CARICHE ELETTRICHE E CONDUZIONE Materia insieme di cariche elettriche microscopiche Se si applica campo elettrico esterno due tipi di comportamento Dielettrici (isolanti): le cariche sono confinate in una regione di spazio microscopica, possono cambiare la loro posizione relativa in modo da generare un campo elettrico che annulla parzialmente il campo esterno Conduttori (metalli, semiconduttori): esistono delle cariche libere all'interno della materia che si muovono in modo da andare a disporsi così da generare un campo elettrico che annulla il campo esterno all'interno del materiale
CARICHE ELETTRICHE E CONDUZIONE Quando ci sono delle cariche in movimento si può definire la corrente elettrica I come la quantità di carica che attraversa una superficie fissata in un certo tempo. Nel caso di conduttori lunghi e sottili prima legge di Ohm V = RI seconda legge di Ohm R=conducibilità del materiale(l/s) la resistenza dipende da un fattore geometrico, dal materiale e dalla temperatura In generale la resistenza aumenta all'aumentare della temperatura.
CAMPO MAGNETICO E MATERIA Quando una carica elettrica è in movimento interagisce con il campo magnetico B secondo la legge di Lorentz. A loro volta le cariche in movimento generano dei campi magnetici. Se applichiamo un campo magnetico esterno alla materia si osservano tre comporamenti distinti Diamagnetismo: le cariche elettriche si muoveranno in modo da generare un campo magnetico che parzialmente annulla il campo magnetico applicato all'interno del materiale Paramagnetismo: le cariche elettriche si distribuiscono in modo da generare un campo magnetico che aumenta il campo magnetico applicato all'interno del materiale Ferromagnetismo: le cariche elettriche si distribuiscono in modo da generare un campo magnetico che aumenta molto (anche 1000 o 10000 volte) il campo magnetico applicato all'interno del materiale
SUPERCONDUTTIVITA' Il punto di partenza della scoperta della superconduttività è stata una discussione sulla dipendenza dalla temperatura della resistenza dei metalli. Secondo la teoria classica (P. Dr ude e H.A. Lor entz) c erano due possibilità per il caso limite alla temperatura dello zero assoluto: gli elettroni dovrebbero condensare attorno agli atomi; il metallo dovrebbe diventare un isolante alla temperature T = 0 K. non c è condensazione; la resistenza va a zero come la radice quadrata di T. Gli esperimenti, però, rivelarono che nessuna delle due previsioni si realizzava. Dopo che Heike Kamer lingh Onnes riuscì a liquefare l elio (a 4.2 K) nel 1908, fu possibile misurare la resistenza dei metalli a temperature molto basse con il risultato che essa si avvicinava a un valore finito che dipendeva fortemente dalle impurezze. Per campioni molto puri, la resistenza dovrebbe andare a zero, dato che la dipendenza della temperatura osservata può essere associata all agitazione termica degli atomi. Nel 1911 furono condotti molti esperimenti con mercurio molto puro con il risultato che realmente la resistenza del mercurio assumeva valori molto piccoli, ma inaspettatamente essa crollava repentinamente a zero (nel 1913 H. Kamerlingh Onnes vinse il Premio Nobel per questa scoperta).
SUPERCONDUTTIVITA' L'effetto Meissner-Ochsenfeld (anche noto più semplicemente come effetto Meissner) si realizza quando un superconduttore viene immerso in un campo magnetico di intensità inferiore ad un certo valore critico. Il superconduttore 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 uguale e contrario a quello applicato. I superconduttori mostrano la caratteristica di espellere completamente un campo magnetico applicato, indipendentemente da quando questo campo sia stato applicato, prima o dopo la transizione alla fase superconduttiva. Un superconduttore, di conseguenza, si comporta come un materiale diamagnetico perfetto. Ma esiste un valore critico del campo magnetico al di sopra del quale la superconduttività scompare. In effetti è questo comportamento magnetico che caratterizza un materiale come superconduttore. Il diamagnetismo dovuto a quest'effetto è alla base della levitazione magnetica dei superconduttori.
SUPERCONDUTTIVITA' Il comportamento magnetico sopra descritto è tipico dei cosiddetti Superconduttori del I Tipo, di solito rappresentati dagli elementi metallici. Più tardi fu trovato un altro tipo di superconduttori, chiamati Superconduttori del II Tipo, soprattutto leghe e composti. Essi mostrano due valori critici di campo magnetico: al di sotto del primo il materiale si trova nello stato Meissner (come un Superconduttore del I Tipo), tra il primo e il secondo è in un cosiddetto stato misto o stato Abrikosov (vincitore del Premio Nobel nel 2003), al di sopra del secondo valore critico di campo il materiale diventa nuovamente un normale conduttore. La fase intermedia è caratterizzata dalla comparsa nel materiale di vortici di flusso, ognuno dei quali porta una unità di flusso magnetico quantizzato ("fluxoid"). Quando i vortici sono trattenuti da difetti ("pinning"), il materiale può tollerare campi magnetici piuttosto intensi ed è detto Superconduttore Duro, tali materiali sono di conseguenza molto utili per applicazioni tecnologiche. Tra il 1986 e il 1993 è stato scoperto un nuovo tipo di superconduttori: i cosiddetti "Superconduttori ad Alta Temperatura (High-Tc)". Essi sono caratterizzati da temperature critiche molto alte, alcune ben al di sopra del punto di ebollizione dell azoto liquido (77 K). J.G. Bednorz and K.A. Müller hanno ricevuto il Premio Nobel nel 1987 per la scoperta pionieristica di questi superconduttori. Nel frattempo Il record di temperatura critica registrata cade intorno a 160 K.
SUPERCONDUTTIVITA' J.G. Bednor z e K.A. Müller scoprirono la superconduttività in materiali ceramici perovskiti di ossido di rame (La2-xBaxCuO4) con temperaturecritiche tra i 30 K e i 40 K (per questo hanno vinto il Premio Nobel nel 1987). Poco dopo fu scoperto che, sostituendo il lantanio con ittrio, cioè fabbricando YBa3Cu3O7, le temperature critiche potevano salire a 93 K. Questo materiale, anche conosciuto come YBCO o composto-123, è attualmente uno dei superconduttori ad alta temperatura meglio studiati.