Tramite una serie di esperimenti, la mostra si propone di far comprendere
sia le proprietà fisiche fondamentali della superconduttività,
sia le proprietà alla base delle sue applicazioni. La mostra, infatti,
è costituita da banchi sperimentali, ognuno dedicato a un fenomeno
(o a una sua applicazione tecnica), e ognuno corredato da un pannello,
che fornisce una breve spiegazione dell'esperimento o dell'applicazione.
Banchi e pannelli sono stati progettati da Apogeo Ambiente, in collaborazione
con il prof. Andrea Perali del Dipartimento di Fisica dell'Università
di Camerino, con l'obiettivo di realizzare un percorso fruibile da diverse
fasce di utenti: studenti, pubblico generico, esperti. Lo spettatore
non potrà gestire in modo autonomo i banchi sperimentali, ma disporrà
di una guida che lo accompagnerà nella visita della mostra, adattando
di volta in volta, in base alle necessità e alle richieste, spiegazioni
e notizie tecniche.
Dopo la prima edizione a Camerino, la mostra è stata proposta anche a
Torino (Politecnico), a Roma (Università "La Sapienza"),
Perugia (Festival della Scienza), arricchendosi di contenuti.
La superconduttività presenta due aspetti fondamentali: 1) al di sotto di un valore di temperatura noto come "temperatura critica" (Tc), la corrente scorre senza incontrare resistenza (quindi, senza dissipare energia in forma di calore); 2) un campo magnetico esterno viene espulso completamente dal volume del superconduttore (effetto Meissner o diamagnetismo perfetto).
1) Superconduzione: dimostrazione della comparsa di fenomeni superconduttivi al di sotto della temperatura critica
Superconduzione
Si fa passare una corrente continua in un conduttore e in un superconduttore,
si raffreddano, si osserva l'andamento della tensione. Grazie alla
prima legge di Ohm, si può studiare l'andamento della resistenza nei
due materiali.
La resistenza varia con la temperatura in modo differente per i conduttori e i superconduttori. Nei superconduttori la resistenza si riduce a 0 al di sotto della Tc.
Anello superconduttore
Si usa un magnete per generare una corrente in un anello superconduttore,
e con un ago magnetico si osservano direzione e polarità del campo
magnetico generato dalla corrente indotta. La corrente persiste fino
a quando la temperatura permane al di sotto della Tc.
Si pone un magnete sul materiale superconduttore (il cuprato B2223 oppure Y123) a temperatura ambiente (circa 300K); quindi si versa dell'azoto liquido, in modo da portare i materiali alla temperatura di 77K: si vedrà il magnete sollevarsi dal superconduttore e rimanere sospeso in una posizione di equilibrio stabile. È il fenomeno della levitazione magnetica provocato dall'effetto Meissner: al di sotto della Tc, nel superconduttore nascono correnti circolari locali (vortici), con conseguenti campi magnetici che sollevano il magnete, ponendolo in equilibrio stabile al di sopra del superconduttore.
Si raffredda e si riscalda il superconduttore per evidenziare che le proprietà di superconduzione coesistono sempre con l'effetto Meissner, e dipendono dalla temperatura critica del superconduttore.
Si osserva che, a temperatura ambiente, è impossibile sollevare un
superconduttore EFP con un magnete. Si immerge poi il superconduttore
nell'azoto liquido, provocandone il raffreddamento: si noterà che il
superconduttore rimane appeso al magnete.
L'effetto di sospensione magnetica avviene nei superconduttori di tipo
II con alta capacità di "pinning" (ancoraggio) dei vortici di supercorrenti,
quali appunto i cuprati superconduttori (Y123 e B2223, in particolare),
grazie all'effetto gabbia del campo magnetico, che impedisce al superconduttore
di allontanarsi dal magnete.
Si inizia l'esperimento con il superconduttore nello stato superconduttivo, a temperatura inferiore a quella critica, ancorato a un magnete permanente. Forzando la separazione fra i due oggetti, si rileva la permanenza della corrente indotta nel superconduttore.
Le applicazioni dei superconduttori si basano essenzialmente: a) sulla
perfetta conduzione senza dissipazione termica; b) sull'effetto Meissner
(ovvero la proprietà di espellere il campo magnetico dal volume del
superconduttore); c) sull'effetto Josephson, che consente il tunnel
di coppie di Cooper attraverso una barriera di isolante.
L'applicazione che maggiormente attira gli interessi economici delle
grandi industrie è senza dubbio la possibilità, tramite cavi superconduttori,
di trasportare energia elettrica ad altissima intensità di corrente (da
1.000 a 10.000 ampere, sino a 100 milioni di watt di potenza). Altra
applicazione importante è l'immagazzinamento di energia elettrica in
avvolgimenti o anelli superconduttori. Da ricordare, infine, l'applicazione
dei superconduttori nel campo dei trasporti: la propulsione magnetoidrodinamica
per navi civili e militari ultraveloci; la levitazione magnetica per
i treni MAGLEV.
Si pone sul superconduttore (il cuprato Y123), separato con un distanziatore,
un magnete con sovrapposta una massa cilindrica di circa 100 g. Si
versa dell'azoto liquido, in modo da portare i materiali alla temperatura
di 77K: rimuovendo il distanziatore, si vedrà che la massa rimane sospesa
in una posizione di equilibrio, ed è libera di girare sul proprio asse. È di
nuovo coinvolto l'effetto Meissner.
L'esperimento è simile a quello della levitazione; la differenza è solo
nella massa levitante, qui molto più cospicua. Si vuole così introdurre
una delle possibili applicazioni pratiche future dei superconduttori:
la fabbricazione di giroscopi con dimensioni ridotte (da usare, per esempio,
su satelliti) o di motori ad altissima velocità, grazie alla possibilità
di far ruotare masse senza bisogno di contatto fisico, quindi con attrito
pressochè nullo.
Esperimento di grande effetto, connesso ancora alla levitazione magnetica. Una pista di magneti permanenti permette il movimento non rettilineo di un superconduttore che si trovi al di sotto della sua temperatura critica.
Per informazioni:
Apogeo Ambiente srl
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e-mail: Luca Di Massimo
