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Superconduttore

Che cos'è un superconduttore?

Un superconduttore è un materiale in grado di condurre corrente elettrica senza resistenza. Tuttavia, i superconduttori non sono solo conduttori infinitamente buoni, ma anche perfetti diamagneti.
Un diamagnete devia un campo magnetico e lo indebolisce al suo interno. Un superconduttore può indebolire completamente il campo magnetico e spostarlo dall'interno. Le linee di campo corrono completamente intorno al superconduttore. La controparte dei diamagneti sono i paramagneti e i ferromagneti, che rafforzano un campo magnetico esterno.
Indice
La superconduttività è probabilmente una delle scoperte più fantastiche della fisica moderna. È già molto affascinante che un materiale non abbia resistenza elettrica. Tuttavia, sono le immagini che mostrano come un superconduttore galleggi sopra il polo di un magnete permanente o viceversa che sono diventate famose in tutto il mondo.

L'illustrazione schematizza un'immagine spesso mostrata dalla stampa: un piccolo magnete si libra sopra un disco superconduttore (nero).
L'illustrazione schematizza un'immagine spesso mostrata dalla stampa: un piccolo magnete si libra sopra un disco superconduttore (nero).
Molti materiali diventano superconduttori a temperature molto basse. Il piombo ordinario, ad esempio, diventa superconduttore alla temperatura dell'elio liquido (4 K circa - 270°C). Queste temperature estremamente basse aumentano il fascino della superconduttività. Oggi sono in corso ricerche sui superconduttori ad alta temperatura. Tuttavia, i materiali trovati richiedono ancora temperature molto basse. I materiali ceramici con proprietà speciali diventano superconduttori a circa -100 °C. Tuttavia, questo richiede ancora un raffreddamento estremo, ad esempio con azoto liquido.

Chiunque abbia provato a far levitare un magnete permanente tenendolo con un polo sopra l'omonimo polo di un magnete orizzontale (ad esempio polo nord contro polo nord) sa quanto sia difficile, se non impossibile. Un superconduttore, invece, galleggia stabilmente nel campo magnetico, pur non essendo esso stesso un magnete. Se il superconduttore viene messo a contatto con un ferromagnete (ad esempio, il ferro), non è possibile rilevare alcuna forza magnetica.

Perché un superconduttore galleggia in un campo magnetico?

La ragione delle forze magnetiche repulsive tra il superconduttore e un campo magnetico è il diamagnetismo del superconduttore.

Molti materiali sono diamagnetici. Anche l'acqua lo è. I diamagneti non hanno magneti elementari come i para- o i ferromagneti, che possono allinearsi in un campo magnetico esterno. Tuttavia, quando un magnete di diamante viene posto in un campo magnetico esterno, si verifica un effetto di induzione.

Una corrente viene indotta nel materiale, provocando un momento magnetico che, secondo la legge di Lenz, è diretto nella direzione opposta al campo magnetico esterno. Questo crea una debole forza repulsiva. Con campi magnetici estremamente forti, è stato persino possibile far galleggiare una rana in quanto creatura acquatica.

Un diamagnete (ad esempio l'acqua) viene quindi respinto quando viene introdotto nel campo magnetico, anche se in modo molto debole. La forza repulsiva tra campi magnetici e sostanze diamagnetiche è forte solo nei superconduttori. I superconduttori sono quindi noti anche come "diamagneti perfetti". Essi presentano una magnetizzazione che sposta completamente la densità del flusso magnetico all'interno del superconduttore. A causa dell'effetto diamagnetico repulsivo, il superconduttore galleggia già sopra un magnete relativamente debole.

Permeabilità magnetica dei superconduttori

La permeabilità magnetica μ viene introdotta per descrivere la forza della magnetizzazione.

La magnetizzazione M avviene in un campo magnetico esterno H0. Il campo magnetico totale H in presenza del materiale si ottiene moltiplicando il campo magnetico esterno H0 per la permeabilità μ: H= μH0.

Questo campo magnetico è la somma del campo magnetico esterno H0 e della magnetizzazione M del materiale:

H=M+H0.

Per la magnetizzazione vale quindi quanto segue: M=H-H0=μH0-H0=(μ-1)•H0.

Il fattore (μ-1) è chiamato anche suscettibilità magnetica χ e ne consegue che M=χH0. I materiali para- e ferromagnetici hanno una permeabilità superiore a 1. La suscettibilità magnetica è quindi maggiore di 1. La suscettibilità magnetica è quindi maggiore di zero. La permeabilità dei materiali diamagnetici è leggermente inferiore a 1 e la suscettibilità è corrispondentemente inferiore a zero. Nel caso di un superconduttore, la permeabilità magnetica è μ=0 e la suscettibilità χ=-1. Ciò significa che il flusso magnetico non penetra più nel superconduttore. Si può anche immaginare che la magnetizzazione dei superconduttori sia uguale al campo esterno incidente, solo in direzione opposta. Il campo esterno viene quindi compensato nel superconduttore.

Un superconduttore non ha quindi alcuna permeabilità alla densità di flusso magnetico. Ha una resistenza magnetica infinitamente grande. Il superconduttore allontana completamente il flusso magnetico dal suo interno.

La figura mostra l'andamento delle linee di campo del campo magnetico H in presenza di un materiale para- o ferromagnetico(μ =2,χ=1) (a sinistra) e in presenza di un superconduttore con(μ =0, χ =-1) (a destra). Il campo incidente originale è rappresentato da una freccia blu e la magnetizzazione da una freccia rossa.
In un materiale ferromagnetico, la magnetizzazione è positiva e quindi allineata al campo originale. Questo è sempre il caso se χ > 0, cioè il materiale
La figura mostra l'andamento delle linee di campo del campo magnetico H in presenza di un materiale para- o ferromagnetico(μ =2,χ=1) (a sinistra) e in presenza di un superconduttore con(μ =0, χ =-1) (a destra). Il campo incidente originale è rappresentato da una freccia blu e la magnetizzazione da una freccia rossa.
In un materiale ferromagnetico, la magnetizzazione è positiva e quindi allineata al campo originale. Questo è sempre il caso se χ > 0, cioè il materiale "assorbe" il campo magnetico nella stessa direzione e quindi lo amplifica.
In un magnete di diamante, invece, la magnetizzazione è diretta nella direzione opposta al campo incidente. Il campo assorbito è negativo e pertanto χ < 0.
Mentre l'amplificazione del campo positivo può essere anche molte volte superiore al campo incidente, l'attenuazione negativa è possibile solo fino alla completa compensazione del campo. Questa compensazione completa si verifica nei superconduttori. Per il superconduttore vale χ = -1, cioè μ = 0. Il superconduttore quindi non lascia passare alcun campo. Un superconduttore è quindi un "diamagnete perfetto".
Progetti entusiasmanti mostrano le nostre Magnetanwendungen mit Supraleitern.



Ritratto del dott. Franz-Josef Schmitt
Autore:
Dott. Franz-Josef Schmitt


Il dottor Franz-Josef Schmitt è fisico e direttore scientifico del corso pratico avanzato di fisica all'università Martin-Luther di Halle-Wittenberg. Ha lavorato alla Technische Universität di Berlino dal 2011 al 2019, dove ha diretto diversi progetti pedagogici e il laboratorio di progetti di chimica. Le sue ricerche si concentrano sulla spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo su macromolecole biologicamente attive. Inoltre è il direttore di Sensoik Technologies GmbH.

Il diritto d'autore sull'intero contenuto del compendio (testi, foto, illustrazioni ecc.) appartiene all'autore Franz-Josef Schmitt. I diritti esclusivi di utilizzazione dell'opera appartengono a Webcraft GmbH, Svizzera (come gestore di supermagnete.de). Senza espressa autorizzazione di Webcraft GmbH non è permesso copiarne il contenuto né utilizzarlo in alcun'altra forma. Proposte di miglioramento o complimenti riguardo al compendio possono essere inviati per e-mail a [email protected]
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