Fisica moderna

La superconduttività: treni superveloci e giganteschi laboratori sotterranei

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Che relazione hanno tra loro lo Shinkansen, il treno superveloce che fa viaggiare i giapponesi su e giù per il loro Paese, e il Large Hadron Collider (LHC), l’enorme acceleratore di particelle di Ginevra che con i suoi $9 \text{ Km}$ di diametro sta lanciando, gli uni contro gli altri, fasci di protoni per studiarne la natura più intima? Il fatto di dipendere entrambi per il loro funzionamento dal fenomeno della superconduttività.

Questi dispositivi hanno infatti la necessità di dare vita a intensissimi campi magnetici per mantenere in pista i rispettivi bolidi (macroscopici o microscopici che siano), campi magnetici che possono essere generati solo da correnti elettriche molto intense, secondo la legge di Biot-Savart. Se per produrle usassimo cavi realizzati con materiali conduttori tradizionali, che oppongono una certa resistenza al passaggio di corrente, non basterebbe il bilancio di uno Stato per pagare la bolletta! Senza contare che correnti tanto intense svilupperrebbero, per effetto Joule, abbastanza calore da fondere il cavo stesso.

Probabilmente il fisico olandese Kammerling Heike Onnes non immaginava che una sua casuale scoperta del 1911 avrebbe in futuro risolto il problema. Onnes si accorse infatti che quando veniva portato a una temperatura prossima ai $4 \text{ K}$ (quasi $270^\circ \text{ C}$ sotto zero!) la resistenza elettrica opposta dal mercurio si riduceva a zero. Come si spiega questo fatto?

Per farlo dobbiamo introdurre una nuova grandezza fisica: la resistività. La resistivià è una quantità scalare che permette di calcolare la resistenza $R$ di un filo di data lunghezza $l$ e avente sezione di data area $S$. Si indica con il simbolo $\rho$, la lettera “rho” dell’alfabeto greco, ed è posta in relazione con $R$, $l$ ed $S$ dalla seconda legge di Ohm:$$R = \rho \frac{l}{S}$$Questa legge venne scoperta per via sperimentale dallo scienziato tedesco Georg Simon Ohm attorno al 1827, che studiò approfonditamente i valori di resistenza di vari circuiti di varia forma. Quel che però venne scoperto solo in seguito è che la resistività di un materiale dipende in modo cruciale dalla sua temperatura: ad una certa temperatura $T_C$, detta temperatura critica, la resistività di un materiale si annulla, mentre per temperature maggiori di questa cresce molto rapidamente (in maniera proporzionale al cubo della temperatura). Un tipico andamento della resistività in funzione della temperatura del materiale è rappresentato dal grafico seguente:

 

Abbassando sufficientemente la temperatura, possiamo costruire cavi elettrici che non oppongono resistenza! Temperature così basse, come la temperatura critica del mercurio o di altri metalli, sono difficili da raggiungere, e ancor più difficili da mantenere. Negli anni ‘80 però sono stati scoperti nuovi materiali ceramici, detti superconduttori ad alta temperatura critica, che entrano nello stato di superconduzione a temperature relativamente alte, attorno ai $-180 ^\circ\text{C}$, circa la temperatura di ebollizione dell’azoto.

 

Crediti immagine: 
D A J Fossett http://commons.wikimedia.org/wiki/File:E5_S11_Sendai_20090725.JPG
Julian Herzog http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CERN_LHC_Tunnel1.jpg

 

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