Superconduttività

Superconduttività   Fis. Fenomeno che si manifesta in taluni metalli in cui, a una temperatura sufficientemente bassa, detta temperatura di transizione, la resistività elettrica diminuisce bruscamente ed è praticamente nulla a temperature inferiori.

u Fisica

La  superconduttività fu scoperta da H. Kamerlingh Onnes nel 1911. Tale scoperta fu la naturale conseguenza della possibilità di raggiungere per la prima volta temperature più basse di 10 K. E' noto che la resistenza elettrica dei metalli decresce con la temperatura. A temperature molto basse e per certi metalli e leghe (tra questi il mercurio usato da Kamerlingh Onnes) si verifica il fenomeno sorprendente della caduta della resistenza a valori sperimentali nulli in modo pressochè discontinuo. Fino agli anni Ottanta si riteneva che la temperatura di transizione non fosse superiore ai 21 K per alcuni composti del niobio. A partire dal 1986 K. A. Muller e G. Bednorz (premi Nobel 1987) hanno trovato che un ossido di ittrio, bario e rame risultava conduttore a 90 K. In seguito altri ricercatori hanno individuato due famiglie di ossidi di rame, che contengono bismuto e rame, che risultano superconduttori a 110-120 K. Si possono ottenere queste alte temperature utilizzando azoto liquido, facilmente reperibile ed economico, e questo ha permesso di estendere le applicazioni dei superconduttori. La spiegazione del fenomeno rimase ignota per una quarantina d'anni; solo nel 1950 venne sviluppata, da parte di Bardeen e Schrieffer, una teoria soddisfacente del fenomeno, basata sull'interazione elettrone- fonone nel metallo. In base a questa teoria le caratteristiche proprietà termiche ed elettromagnetiche dei superconduttori sono dovute a moti coerenti su distanze macroscopiche di coppie di elettroni legati entro il metallo; la formazione di queste coppie che hanno quantità di moto e spin opposti è dovuta all'interazione degli elettroni con i fononi generati dal reticolo cristallino. Un fenomeno meno noto della sparizione della resistenza, ma ugualmente importante, è la brusca espulsione del campo magnetico dal materiale superconduttore (effetto Meissner). Una spettacolare illustrazione di tale fenomeno è data dall'esperimento del magnete fluttuante. Un piccolo magnete permanente rimane sospeso sopra una coppa di materiale superconduttore. Infatti il campo del magnete non può penetrare nelle pareti della coppa e questo produce delle forze repulsive atte a tenere sollevato il magnete. Questo fenomeno è simile a quello elettrostatico per cui una carica posta di fronte a un conduttore crea una distribuzione di cariche simulanti il campo di una carica che sia la sua immagine speculare rispetto al conduttore. La presenza di un campo magnetico abbassa la temperatura critica. Dato che la corrente che fluisce in un superconduttore crea un campo magnetico, questo tende a distruggere la superconduttività se troppo intenso. Di qui una limitazione all'idea ovvia di costruire campi magnetici intensissimi usando correnti enormi entro elettromagneti superconduttori, corrente che non provocherà costose dissipazioni di calore per effetto joule. I materiali superconduttori permettono di creare campi magnetici intensi molto stabili.



I magneti superconduttori hanno trovato largo impiego, oltre che nella costruzione di acceleratori di particelle, nella realizzazione di vari dispositivi per la sperimentazione sulla fusione nucleare, sulla conversione diretta dell'energia termica in energia elettrica (metodo MHD), nell'accumulo dell'energia in eccesso. Ma altri dispositivi superconduttori sono pure entrati nella fase di sperimentazione preindustriale: motori in corrente continua e alternata; cavi per la trasmissione a distanza di energia elettrica; levitazione magnetica di veicoli per trasporto su rotaia magnetica ad alta velocità. Infine alcuni dispositivi elettronici basati su effetti connessi alla superconduttività (effetto Josephson) sono entrati in commercio. Tra questi i magnetometri ad altissima sensibilità basati sull'effetto SQUID.