Müller Thomas
Superconduttori
Lun, 11/12/2006 - 22:20 — michele_bonaventuraAutore:
Müller Thomas
Tra le innovazioni tecnologiche che attirano maggiori attenzioni (e fondi) da parte dell’industria figurano oggi i superconduttori.
Cos’è un superconduttore?
Per chiarire questo concetto occorre soffermarsi sul fenomeno della dissipazione di corrente. Quando facciamo passare una corrente attraverso un filo metallico, ci accorgiamo che è necessario mantenerlo attaccato ad una sorgente di corrente. Il flusso di elettroni che si muove attraverso il filo e che costituisce la corrente ha una naturale tendenza a spegnersi e morire.
Come spiegare questo fenomeno?
La teoria di Drude fornisce una schema valido di riflessione. Possiamo immaginare la corrente in un filo come un flusso continuo di elettroni spinti in una medesima direzione.
In condizioni normali gli elettroni si muovono casualmente. Lo spostamento globale di cariche elettriche da un capo all’altro del filo è dunque nullo, per ogni spostamento “destra-sinistra” ne avviene uno “sinistra-destra”.
Se applichiamo una differenza di potenziale (anche detto voltaggio), ad esempio con una pila, induciamo gli elettroni a prediligere una direzione. Essi migrano con maggiore frequenza in una direzione e generano uno spostamento di cariche, una corrente.
Sul loro percorso gli elettroni incontrano degli ostacoli, i nuclei atomici con carica positiva. Quando si scontrano, essendo molto più piccoli e leggeri, rimbalzano indietro cambiando direzione e ripristinando il movimento casuale che corrisponde all’assenza di corrente.
È opportuno notare che il modello di Drude rappresenta una spiegazione classica del fenomeno, antecedente la scoperta della meccanica quantistica e della relatività (per i nostri letterati: Drude è contemporaneo di Carducci, la superconduttività è materia per postnovecentisti; linguaggi diversi). Tuttavia questo modello è molto efficace nell’immaginare un fenomeno come la corrente e riesce anche a spiegare per una fortuita somma di coincidenze alcuni risultati di tipo quantitativo. Per questa ragione viene ancora insegnato nelle università.
Sappiamo che un cavo percorso da corrente si scalda; l’energia fornita dalla pila è in questo modo dissipata in forma di calore.
Una delle conseguenze teoriche della meccanica quantistica, è la comparsa ad una temperatura critica, di un fenomeno noto come superconduzione.
In pratica se si raffredda sufficientemente un materiale (qualsiasi), ad una certa temperatura esso smette di dissipare energia. Il filo non si scalda più, gli elettroni non sono più ostacolati dai nuclei e possono scorrere liberamente. La corrente non si estingue più.
Questo significa che se attaccate per un breve istante una pila ad un cavo superconduttore che alimenta il vostro computer potrete tenerlo acceso per sempre. Senza pagare la bolletta.
Il fenomeno è chiaramente sorprendente e mette in crisi il modello di Drude; non si spiega infatti in nessun modo la ragione per cui, improvvisamente e con un fenomeno “tutto o niente” gli elettroni imparino a schivare l’ostacolo-nucleo[1].
Un secondo fenomeno interessante riguarda il campo magnetico dell’oggetto superconduttore. Alla temperatura critica il superconduttore espelle completamente il proprio campo magnetico. Un magnete appoggiato sul superconduttore verrebbe spinto verso l’alto e comincerebbe a levitare a qualche centimetro di altezza sopra il superconduttore in questione!
Questo fenomeno a dir poco spettacolare fa parte del bagaglio di ricordi indelebili di ogni buon fisico. Come dimenticare un cilindretto che vola?[2]
I vantaggi economici di una macchina eterna sono lampanti. Purtroppo la temperatura critica al di sotto della quale compaiono fenomeni superconduttori del tipo illustrato sono piccolissime, dell’ordine di qualche grado sopra lo zero assoluto nei casi più fortunati.
Simili temperature sono difficili da raggiungere e ancora più complesso si rivela mantenerle. L’unica applicazione diretta a me nota ha luogo in questi mesi al CERN di Ginevra.
Tuttavia un fenomeno analogo a quello della superconduttività è stato scoperto per alcuni materiali molto particolari (come YBCO o anche il Fullerene). Questi materiali diventano superconduttori tipo II. Si comportano in modo simile a quelli di tipo I, ma invece di espellere completamente il proprio campo magnetico si accontentano di farlo in modo parziale; all’interno del materiale continuano ad esistere piccoli vortici di campo magnetico.
Il fenomeno della levitazione ha luogo egualmente e cosa ancora più interessante anche quello della corrente eterna.
L’enorme vantaggio di questo tipo di “superconduzione impura” è che essa avviene a temperature decisamente più elevate, superiori a quella dell’azoto liquido.
Dagli anni settanta la sperimentazione in questo campo ha portato ad enormi progressi e oggi si possono fabbricare ceramiche superconduttrici a circa centocinquanta gradi sotto lo zero Celsius.
È opinioni di alcuni esperti (in particolare di D. Pavuna del politecnico di Losanna) che sia possibile ottenere superconduttori detti “colossali” efficaci fino a temperature superiori ai cento gradi Celsius. La teoria in effetti non pone ostacoli di sorta, ma tecnologicamente siamo ancora molto lontani da questi risultati.
Le applicazione tecnologiche sono enormi; pensate a supercomputer in grado di funzionare senza alimentazione, a treni sospesi su rotaie magnetiche o anche ad elettrodomestici che funzionano autonomamente. Un affare in tempi che vedono l’energia protagonista del dibattito economico. Aspettiamoci in questi anni molte sorprese.
[1] Il motivo è legato all’accoppiamento di elettroni che legandosi due a due cambiano la propria natura comportamentale, non entro nel dettaglio di questa teoria che oltre ad essere estremamente complessa non spiega interamente il fenomeno.
[2] Gli accaniti fautori dello zen ora sanno come levitare senza dover raggiungere satori. Ma bisogna sopportare bene il freddo, una carriera da fachiro si impone
tm
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Commenti
Stasera ero indeciso tra un articolo di cosmologia e un commento a Whitehead su "religione e scienza". Ho risolto così.
Mi sembra che l'impaginazione funzioni tranne quelle note a pié di pagina.
Attendo le vostre curiosità.
Una pagina di scienza adatta anche ai non scienziati: complimenti. Qualche vago ricordo di quinta liceo, più imperniato sulla figura di mio padre, ingegnere elettrotecnico, che si disperava a farmi capire alcuni concetti per lui fondamentali per l'esistenza stessa e concludeva immancabilmente scuotendo la testa e consigliandomi una facoltà letteraria. Ricordo che dei superconduttori ho sentito qualcosa da lui che aveva una grande passione per queste tematiche.
"Le applicazione tecnologiche sono enormi; pensate a supercomputer in grado di funzionare senza alimentazione, a treni sospesi su rotaie magnetiche o anche ad elettrodomestici che funzionano autonomamente"
Questo sarebbe piaciuto anche a lui poterlo vedere. Beh, se le comunicazioni radiotelevisive funzionano anche nell'Aldilà, è possibile che vi assisterà in diretta :)))
Una domanda: su cosa si basa l'attuale "treno senza rotaie" del quale già si sente parlare?
"In pratica se si raffredda sufficientemente un materiale (qualsiasi), ad una certa temperatura esso smette di dissipare energia. Il filo non si scalda più, gli elettroni non sono più ostacolati dai nuclei e possono scorrere liberamente. La corrente non si estingue più."
"I vantaggi economici di una macchina eterna sono lampanti."
+ Eee? Spiegaci molto di più! Moto perpetuo?
"Questo significa che se attaccate per un breve istante una pila ad un cavo superconduttore che alimenta il vostro computer potrete tenerlo acceso per sempre. Senza pagare la bolletta."
ma sei sicuro? perché una volta che la nostra corrente è costretta a compiere un lavoro, allora dovrebbe essere dissipata. è diverso per il cilindretto che vola, in quanto volare non rappresenta alcun lavoro, ma un computer... è pur vero che io in fisica sono una mazza...
3 e 4> Si sono sicuro. Hanno provato a far girare corrente in un superconduttore per due anni e hanno osservato... niente.
La corrente continua a girare indisturbata.
Chiaro che se trasformi la corrente in movimento ad esempio, ne devi poi reimmettere di nuova, ma fintanto che serve a scrivere su un disco rigido vai tranquillo.¨
Moto perpetuo in un certo senso; si parla di dissipare comunque su qualche decina di migliaia di anni per altri effetti. Il grande vantaggio è, per un computer ad esempio, che non perdi nulla per riscaldamento dei fili.
Dunque è un trasporto perfetto di energia, da non confondere con una sorgente.
2> Treno magnetico quale? Se pensi al modello tedesco credo sia solo un treno sospeso su calamite. La calamità spinge su, la gravità spinge giù e il treno resta sospeso a qualche centimetro d'altezza. È banale.
Il vantaggio è evitare l'attrito del binario, lo svantaggio è l'alimentazione delle calamite.
esiste anche un progetto chiamato Swiss Metro che avevo studiato tempo fa ma che non sarà utilizzato.
Si trattava di un treno sospeso su rotaie magnetiche all'interno di un condotto sotteraneo di un migliaio di chilometri (transalpino MIlano-Ginevra, Milano-Zurigo-Basilea) in cui si pensava di fare il vuoto e raggiungere 600-700 Km/h. Abbandonato per questioni finanziarie, brevetto giapponese, studio svizzero.
Nessuno si è accorto che in questo articolo mi è scappata una grossa svista? No?
Controllate le cariche.
Come fa un elettrone a rimbalzare contro un nucleo positivo? Mi sono accorto adesso.
Bisognerebbe specificare che solo una piccola parte degli elettroni partecipano alla conduzione. Gli altri restano ancorati attorno all'atomo a fanno da scudo. Sono loro che respingono gli elettroni in movimento attraverso il filo.