I superconduttori sono particolari materiali che, quando raffreddati alla temperatura critica, riducono notevolmente la loro resistività elettrica fino ad annullarla, divenendo appunto superconduttori. I materiali superconduttori che raggiungono la temperatura critica divengono corsie di favore per il passaggio dell’energia elettrica.
La temperatura critica è indicata, solitamente, con il simbolo Tc ed è, sotto molti aspetti, un elemento distintivo del materiale alla stessa stregua della firma spettrale nell’ambito dell’emissione IR.
Il fenomeno della superconduttività fu scoperto nel 1911 per merito del fisico Kamerlingh Onnes, che la osservò nel mercurio. I materiali maggiormente adoperati per la superconduzione sono titanio, niobio, stagno e vanadio.
In suddetti materiali, la superconduzione ha luogo a temperature molto basse, tuttavia senza mai raggiungere lo zero assoluto che come risaputo annulla la materia.
Quando la corrente elettrica attraversa una spira super-conduttrice, in pratica, scorre all’infinito abbattendo totalmente l’effetto joule.
Un superconduttore, quindi, può trasportare enormi quantità di corrente elettrica senza dissipare energia sotto forma di calore. Di conseguenza, l’elettricità può circolare per lunghissimi periodi senza dispersione.
Questo fenomeno è strettamente connesso alla teoria quantistica dello spostamento a coppie di elettroni, comunemente indicate come: coppie di Cooper o coppie elettrone-elettrone. Difatti se la super-conduzione fu scoperta nel 1911 da Onnes nel mercurio essa è stata teorizzata solo nel 1957 ad opera di: J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer. Tuttavia solo nel 1988 si pervenne alle odierne conoscenze grazie alle ricerche e sperimentazioni effettuate da J.G. Bednorz e K.A. Muller.
In pratica, i due ricercatori, nei laboratori della IBM a Zurigo, correlarono il fenomeno della superconduttività alla temperatura critica. I due ricercatori, in una prima fase sperimentale, rilevarono la superconduttività, ad una temperatura di 35° K, su una ceramica con un formulato di: lantanio, bario e rame. Nel 1987 si pervenne ai medesimi risultati sperimentali utilizzando una ceramica composta di ittrio ad una temperatura di 90° K. Allo stato attuale la temperatura critica più bassa è stata raggiunta con applicazioni sperimentali sul mercurio ed è di 133° K.
Un’altra caratteristica peculiare dei superconduttori attiene al comportamento magnetico. Difatti i superconduttori quando sono raffreddati alla temperatura critica divengono perfettamente diamagnetici, tale fenomeno è definito effetto Meissner ed ha un’ampia applicazione per la realizzazione di treni veloci su cuscinetto magnetico.
Classificazione dei superconduttori.
Le molteplici ricerche sulla superconduttività hanno permesso di classificare i superconduttori in due categorie: tipo I e tipo II. Tutti i materiali che rientrano nella I categoria soffrono di una notevole limitazione. Infatti, questi materiali conservano la capacità di superconduzione a basse temperature e con campo elettromagnetico debole. Quando il campo elettromagnetico raggiunge un’intensità elevata, definita critica, degrada lo stato di superconduzione del materiale stesso. I materiali classificati nella seconda tipologia (II) hanno una resa decisamente superiore e sono, per tale motivo, i più adoperati e ricercati. In pratica questi materiali, anche se soggetti ad un campo magnetico, restano vincolati allo stato di superconduzione. Questa caratteristica consente ai superconduttori, di secondo tipo, di sopportare campi magnetici fortissimi e di conseguenza sopportare un carico di corrente elevatissimo.
Parametri di classificazione dei superconduttori.
Le due principali caratteristiche che consentono di operare la dicotomia dei superconduttori sono: la lunghezza di coerenza e la lunghezza di penetrazione.
– La lunghezza di coerenza, connessa alla coppia di Cooper, è la distanza spaziale tra una coppia di elettroni e rappresenta la dimensione, o misura, della coppia. Tale lunghezza, nei superconduttori tradizionali o convenzionali, si assesta nell’ordine dei nanometri.
– La lunghezza di penetrazione concerne l’effetto Meissner. Ossia il decadimento dei campi magnetici esterni, per effetto dei campi magnetici indotti dalla corrente che attraversa il superconduttore. La distanza alla quale occorre tale decadimento è definita lunghezza di penetrazione. Anche tale misura, come quella di coerenza, si assesta nell’ordine dei nanometri.
Peculiarità dei superconduttori
I superconduttori del tipo I sono definiti basso fondenti e teneri. In essi la Lunghezza di coerenza è sempre maggiore della lunghezza di penetrazione e, proprio a tale motivo, tendono ad essere superconduttori in condizioni di bassa temperatura e con presenza di debole campo magnetico. Essendo la superconduzione, di questi materiali, alquanto limitata presentano uno scarso interesse dal punto di vista tecnologico e non sono molto richiesti.
I superconduttori di tipo II sono molto richiesti in quanto tecnologicamente più prestanti. La lunghezza di penetrazione di questi materiali è minore della lunghezza di coerenza e pertanto essi rimangono allo stato di superconduzione anche dopo la penetrazione del campo magnetico. I superconduttori di tipo II possono sopportare campi molto forti e quindi trasportare correnti più intense. Tutti i superconduttori di interesse tecnologico sono di questo tipo.
Applicazioni pratiche
Come ben noto non sono stati ancora scoperti materiali superconduttori a temperatura ambiente. L’elevato costo dei dispositivi di raffreddamento criogenico non consente un utilizzo su ampia scala di tali dispositivi. Oltre ai costi anche la praticità del dispositivo di raffreddamento comporta notevoli limitazioni. Queste limitazioni oggettive comportano l’utilizzo dei superconduttori sono in particolari campi di applicazione come: componentistica satellitare, applicazioni biomediche, ingegneria automobilistica e IT applicata alla ricerca.