I superconduttori e i materiali superconduttori sono metalli, ceramiche, materiali organici, o semiconduttori pesantemente drogati che conducono elettricità senza resistenza.
I materiali superconduttori possono trasportare elettroni senza resistenza, e quindi non rilasciano calore, suono, o altre forme di energia. La superconduttività si verifica alla temperatura critica (Tc) di uno specifico materiale. Al diminuire della temperatura, la resistenza di un materiale superconduttore diminuisce gradualmente fino a raggiungere la temperatura critica. A questo punto la resistenza crolla, spesso a zero, come mostrato nel grafico a destra.
Al momento, la maggior parte dei materiali deve raggiungere uno stato di energia estremamente bassa attraverso basse temperature e/o alte pressioni per ottenere la superconduttività. Mentre i superconduttori di ricerca che sono efficaci a temperature più alte sono in sviluppo, la superconduttività è tipicamente possibile solo con processi di raffreddamento costosi e inefficienti.
I superconduttori mostrano caratteristiche uniche oltre alla loro capacità di condurre perfettamente la corrente. Per esempio, molti espellono campi magnetici durante la transizione allo stato superconduttore. Questo è dovuto all’effetto Meissner per cui i materiali superconduttori creano correnti elettriche vicino alla loro superficie a Tc, annullando così i campi all’interno del materiale stesso. Un magnete stazionario su un superconduttore dimostra questo effetto: quando il superconduttore si raffredda attraverso la sua temperatura critica, l’espulsione del flusso magnetico dal conduttore fa levitare il magnete sopra il materiale.
L’effetto Meissner: il flusso magnetico di un superconduttore sopra (sinistra) e sotto la temperatura critica.
Principi
I principi dei superconduttori possono essere spiegati esaminando varie formule. In primo luogo, la mancanza di resistenza in un superconduttore che trasporta corrente può essere illustrata dalla legge di Ohm, R=V/I, dove R è la resistenza, V è la tensione e I è la corrente. Poiché i materiali superconduttori trasportano corrente senza tensione applicata, R=0. La superconduttività inoltre non comporta perdita di potenza, poiché la potenza è definita come P=I2R; poiché R è zero in un materiale superconduttore, la perdita di potenza è zero.
Queste formule, insieme ad altri principi dei superconduttori, sono spiegate nel video didattico qui sotto.
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Tipi
I superconduttori sono classificati in materiali di tipo I e di tipo II.
I materiali di tipo I mostrano almeno una certa conduttività a temperatura ambiente e comprendono principalmente metalli puri e metalloidi. Hanno basse temperature critiche, tipicamente tra 0 e 10 K (-273°C e -263°C rispettivamente). Come discusso sopra, questo tipo sperimenta un’improvvisa diminuzione della resistenza così come la completa espulsione dei campi magnetici (perfettamente diamagnetici) alla temperatura critica.
I metalli di tipo I raggiungono la superconduttività attraverso il rallentamento dell’attività molecolare attraverso le basse temperature. Secondo la teoria BCS, questo crea un ambiente favorevole all’accoppiamento di Cooper in modo che le coppie di elettroni siano in grado di superare gli ostacoli molecolari, portando al libero flusso di elettroni senza tensione applicata.
Rame, argento e oro sono tre dei migliori conduttori metallici ma non sono superconduttori. Ciò è dovuto alle loro strutture reticolari a celle cubiche a facce centrate (FCC), che sono così strettamente imballate che le vibrazioni a bassa temperatura del reticolo, essenziali per la superconduttività, non riescono a costringere gli elettroni liberi in coppie di Cooper. Mentre alcuni metalli FCC come il piombo sono capaci di superconduttività, questo è dovuto a fattori esterni come il basso modulo di elasticità del piombo.
La maggior parte dei materiali di tipo II sono composti o leghe metalliche, anche se vanadio elementare, tecnezio e niobio rientrano in questo gruppo. Sono capaci di superconduttività a temperature critiche molto più alte. Per esempio, il test del 2015 di Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ ha prodotto una Tc di 400 K (+129°C), oltre 100°C sopra la temperatura ambiente, anche se i materiali di tipo II più comuni hanno temperature critiche nell’intervallo 10-130 K. Al 2015 non c’è un consenso scientifico sulla ragione di queste temperature critiche più alte.
I materiali di tipo II assumono anche uno stato misto, che contrasta con la resistenza a picco alla Tc per i materiali di tipo I, quando si avvicinano alla loro temperatura critica. Gli stati misti sono causati dal fatto che i superconduttori di tipo II non espellono mai completamente i campi magnetici, così che si possono vedere microscopiche “strisce” superconduttrici sul materiale.
Altre classificazioni
La classificazione secondo i tipi di cui sopra è fatta teoricamente dal comportamento del campo magnetico. I materiali di tipo I hanno un’unica temperatura critica di campo oltre la quale la superconduttività cessa completamente, mentre i materiali di tipo II hanno due punti critici di campo tra i quali può esistere uno stato misto. Un altro metodo per classificare i superconduttori è in base alla temperatura, con i materiali a “bassa temperatura” che cadono sotto la superconduttività raffreddata ad azoto liquido e quelli ad “alta temperatura” che cadono sopra di essa. I materiali a bassa temperatura possono essere raffreddati usando gas liquidi come neon, idrogeno ed elio.
Un elenco completo delle temperature critiche per i materiali superconduttori può essere trovato qui per il tipo I e qui per il tipo II.
Il grafico qui sotto illustra questa distinzione, così come una linea temporale che mostra la storia delle scoperte delle temperature critiche. I materiali con temperature critiche che cadono sopra il punto di ebollizione dell’azoto liquido (circa 77 K) sono conosciuti come materiali ad alta temperatura. Il drammatico aumento della Tc visto al centro del grafico è il risultato della scoperta di cuprati superconduttori e perovskiti con alta Tc nel 1986 e 1987.
Fattori di forma del prodotto
I fornitori di superconduttori e materiali superconduttori offrono prodotti in varie forme diverse, alcune delle quali sono elencate di seguito.
I materiali superconduttori grezzi includono composti chimici in forma di polveri o cristalli. La polvere superconduttrice è incorporata nella fabbricazione di celle a combustibile più efficienti, membrane di separazione del gas e batterie agli ioni di litio.
I magneti sono prodotti per applicazioni MAGLEV e MRI, come discusso di seguito, così come la microscopia e la spettroscopia NMR/EPR.
Filo e cavo sono utilizzati nella trasmissione di energia superconduttiva e nella ricerca scientifica in campi magnetici ultra-alti.
I produttori di superconduttori possono specializzarsi nell’avanzamento di un certo composto superconduttore, come le formule a base di niobio o il diboruro di magnesio (MgB2).
Applicazioni
I superconduttori non sono disponibili su larga scala commerciale a causa del lungo raffreddamento necessario per raggiungere gli stati superconduttori. Sono comuni in alcune applicazioni specializzate, tra cui:
I treni MAGLEV usano magneti superconduttori per eliminare praticamente l’attrito tra il treno e i binari. L’uso di elettromagneti convenzionali sprecherebbe grandi quantità di energia attraverso la perdita di calore e richiederebbe l’uso di un magnete ingombrante, mentre i superconduttori risultano in un’efficienza superiore e magneti più piccoli.
La risonanza magnetica (MRI) usa campi magnetici generati da superconduttori per interagire con atomi di idrogeno e molecole di grasso all’interno del corpo umano. Questi atomi e molecole rilasciano poi energia che viene rilevata e formata in un’immagine grafica. La risonanza magnetica è un metodo radiografico ampiamente utilizzato per la diagnosi medica o la stadiazione di malattie come il cancro.
Generatori elettrici costruiti con filo superconduttore hanno raggiunto il 99% di efficienza nei test sperimentali, ma devono ancora essere costruiti commercialmente.
La generazione di energia elettrica utilizzando cavi e trasformatori superconduttori è stata sperimentalmente testata e dimostrata.
Standard
Vari standard e manuali pubblicati riguardano la superconduttività e i superconduttori. Esempi includono:
- BS EN 61788-Superconduttività (serie)
- IET-Teoria elettrodinamica dei superconduttori
- Wiley-Materiali semiconduttori sfusi ad alta temperatura