Cos’è un superconduttore? Definizione, tipi e usi

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Un superconduttore è un materiale che, raffreddato al di sotto di una temperatura detta temperatura critica, perde improvvisamente tutta la sua resistenza elettrica, permettendogli di condurre elettricità senza perdita di energia . Questi materiali presentano anche una proprietà magnetica molto particolare: sono sostanze perfettamente diamagnetiche, cioè escludono le linee del campo magnetico. Ciò significa che quando viene posizionato vicino a un magnete, le linee del campo magnetico passano attraverso i lati, ma non penetrano nel materiale.

Quando una corrente elettrica viene indotta in un materiale superconduttore, come un filo circolare, questa corrente continua a fluire indefinitamente finché il materiale rimane freddo. Questa corrente senza resistenza si chiama supercorrente e viene utilizzata, tra l’altro, per generare campi magnetici molto forti.

La superconduttività, cioè la proprietà di un materiale di diventare un superconduttore al di sotto della temperatura critica, fu scoperta nel 1911 e stupì completamente i fisici dell’epoca. Ci sono voluti più di due decenni prima che le sue proprietà diamagnetiche (chiamate effetto Meissner ) fossero scoperte e quasi mezzo secolo prima che i fisici potessero spiegare perché si verifica la superconduttività. Fu nel 1957 quando John Bardeen, Leon Cooper e Bob Schrieffer risolsero il problema, che valse loro il Premio Nobel per la Fisica nel 1972.

Temperatura critica e superconduttori ad alta temperatura

Il primo superconduttore scoperto ha una temperatura critica di appena 3,6 K, che equivale a -269,6 °C. Generare e mantenere temperature così basse è estremamente difficile, il che ha limitato l’uso dei superconduttori a una manciata di applicazioni molto specifiche, come vedremo più avanti in questo articolo.

Per questo ci sono centinaia di scienziati in tutto il mondo che lavorano costantemente allo sviluppo di superconduttori con una temperatura critica vicina a quella ambiente. Questi materiali sono chiamati superconduttori ad alta temperatura.

I primi progressi hanno innalzato la temperatura critica di poche decine di gradi, ma recentemente è stato sviluppato per la prima volta un superconduttore con una temperatura critica di 14,5 °C.

tipi di superconduttori

Esistono fondamentalmente due tipi di superconduttori, a seconda della loro composizione e del modo in cui interagiscono con i campi magnetici.

Superconduttori di tipo I

Questi furono i primi ad essere scoperti. Si tratta di elementi puri che presentano l’effetto Meissner, cioè respingono i campi magnetici quando sono al di sotto della temperatura critica. In generale, hanno un’unica temperatura critica caratteristica di ciascun materiale e la caduta della resistenza elettrica al di sotto della temperatura critica è brusca.

Superconduttori di tipo II

Questi consistono in miscele di diversi elementi che si combinano per formare leghe o materiali ceramici che presentano superconduttività. Ciò che li rende diversi dai superconduttori di tipo I è che la caduta della resistenza elettrica è graduale, quindi hanno due temperature critiche: una quando la resistenza inizia a diminuire e un’altra quando raggiunge lo zero.

Un’altra caratteristica importante di questo tipo di superconduttore è che se viene applicato un campo magnetico esterno sufficientemente forte, il materiale perde la sua superconduttività.

Usi dei superconduttori

acceleratori di particelle

Forse l’applicazione più impressionante dei superconduttori fino ad oggi è nel campo della ricerca scientifica sulla fisica delle particelle. I superconduttori sono utilizzati negli elettromagneti che mantengono confinato il fascio di particelle nel Large Hadron Collider, una delle più grandi macchine costruite dall’uomo.

potenza termonucleare

La fusione nucleare è stata la fonte ideale di energia pulita per 100 anni. Tuttavia, per ottenere la fusione nucleare e per sostenerla, l’idrogeno e l’elio gassosi devono essere riscaldati fino a 100 milioni di gradi Celsius mentre ruotano all’interno di una ciambella cava chiamata Tokamak, dove sono confinati da potenti elettromagneti fatti di superconduttori. .

informatica quantistica

Una delle implementazioni più promettenti del calcolo quantistico utilizza circuiti superconduttori, essenziali per il suo funzionamento.

superconduttori nel calcolo quantistico
Superconduttori nel calcolo quantistico

Diagnostica per immagini medica

Lo sviluppo dei superconduttori ha consentito la creazione di dispositivi e tecniche di diagnostica per immagini mediche che prima non erano possibili. Una di queste tecniche è la magnetoencefalografia SQUID, che è in grado di rilevare cambiamenti nei campi magnetici pari a un miliardesimo del campo magnetico necessario per muovere l’ago di una bussola.

Nuove immagini grazie ai superconduttori
Tunnel di risonanza magnetica

generazione di elettricità

Infine, un’altra recente applicazione è l’utilizzo di generatori di elettricità realizzati con filo superconduttore al posto del filo di rame. Questi generatori sono molto più efficienti di quelli convenzionali e molto più piccoli e leggeri.

Riferimenti

Charles Slicter (2007). Introduzione alla storia della superconduttività (per studenti di fisica e scienziati). Estratto da https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (ottobre 2020). Il primo superconduttore a temperatura ambiente entusiasma e sconcerta gli scienziati. Natura 586, 349. Estratto da https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et al.  (2020). Superconduttività a temperatura ambiente in un idruro di zolfo carbonioso. Natura  586,  373–377. Estratto da https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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