Elenco dei superconduttori e del loro funzionamento

Introduzione

La superconduttività è un fenomeno affascinante della fisica in cui alcuni materiali, se raffreddati al di sotto di una temperatura critica, presentano una resistenza elettrica nulla e l'espulsione di campi magnetici. Ciò li rende essenziali in diverse applicazioni, tra cui la diagnostica per immagini in campo medico, l'accumulo di energia e i trasporti. Vediamo come funzionano i superconduttori con dieci esempi di materiali superconduttori.

Come funzionano i superconduttori

La superconduttività si verifica quando gli elettroni di un materiale si accoppiano formando le cosiddette coppie di Cooper. Queste coppie si muovono attraverso il materiale senza disperdersi, causando la resistenza elettrica. Nei normali conduttori, come il rame o l'alluminio, gli elettroni incontrano resistenza quando si scontrano con gli atomi, con conseguente perdita di energia. Tuttavia, nei superconduttori, una volta che il materiale viene raffreddato al di sotto di una temperatura critica, si verifica il fenomeno del flusso di corrente senza resistenza, consentendo all'energia di muoversi senza perdite.

A livello quantistico, la superconduttività è spiegata dalla teoria BCS (Bardeen, Cooper e Schrieffer). Questa teoria descrive come l'interazione tra gli elettroni e le vibrazioni del reticolo cristallino porti alla formazione di coppie di Cooper. Queste coppie si muovono collettivamente, senza dispersione, rendendo il materiale capace di condurre elettricità senza alcuna dissipazione di energia.

Proprietà dei superconduttori

I superconduttori hanno una serie di proprietà uniche che li distinguono dagli altri materiali:

Figura 1 Temperatura critica dei superconduttori[1]

• Resistenza elettrica nulla: La proprietà più significativa dei superconduttori è che permettono all'elettricità di fluire senza alcuna resistenza, eliminando così la perdita di energia durante la trasmissione.
• Effetto Meissner: I superconduttori presentano l 'effetto Meissner, in base al quale espellono i campi magnetici dal loro interno quando passano allo stato superconduttore. Questo fenomeno consente applicazioni come la levitazione magnetica.
• Temperatura critica (Tc): Ogni superconduttore ha una temperatura critica specifica al di sotto della quale presenta superconduttività. Questa temperatura varia a seconda del materiale. Ad esempio, alcuni superconduttori ad alta temperatura hanno temperature critiche superiori al punto di ebollizione dell'azoto liquido (-196°C).
• Levitazione quantistica: I superconduttori possono levitare sopra i magneti grazie all'interazione tra l'espulsione dei campi magnetici da parte del superconduttore e il campo generato dal magnete. Questo principio è utilizzato in tecnologie come i treni maglev.
• Elevata capacità di trasporto di corrente: I superconduttori possono trasportare correnti elettriche molto più elevate rispetto ai conduttori convenzionali, il che li rende ideali per l'uso in applicazioni ad alta energia come gli acceleratori di particelle.

10 esempi di superconduttori

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1. Niobio (Nb) Il niobio è uno dei superconduttori più comunemente utilizzati grazie alla sua temperatura critica relativamente elevata di 9,25 K e alla sua facilità di utilizzo in applicazioni pratiche come le macchine per la risonanza magnetica e gli acceleratori di particelle.
2. L'ossido di rame e bario (YBCO) YBCO è un superconduttore ad alta temperatura con una temperatura critica di circa 93 K, che lo rende ideale per applicazioni nell'industria dell'energia, tra cui cavi di alimentazione e schermi magnetici.
3. Il diboruro di magnesio (MgB2), con una temperatura critica di 39 K, è un superconduttore relativamente economico. Trova applicazione nell'elettronica, nell'immagazzinamento dell'energia e nella tecnologia della risonanza magnetica.
4. Piombo (Pb) Il piombo è stato uno dei primi materiali scoperti a mostrare superconduttività. La sua temperatura critica è di 7,2 K e viene utilizzato in vari esperimenti scientifici e applicazioni che richiedono basse temperature.
5. Il BSCCO è un altro superconduttore ad alta temperatura, con una temperatura critica di circa 108 K. È utilizzato nei cavi di alimentazione, nei magneti e in altri dispositivi elettrici.
6. Superconduttori a base di ferro I superconduttori a base di ferro, una classe relativamente nuova scoperta nel 2008, sono noti per le loro alte temperature critiche e per il loro potenziale nelle applicazioni elettroniche ed energetiche.
7. Tungsteno (W) Il tungsteno è un materiale ad alta densità che presenta superconduttività a temperature molto basse, rendendolo utile in alcune applicazioni di nicchia, tra cui i magneti ad alto campo.
8. Vanadio Gallio (V3Ga) Il vanadio gallio è un superconduttore con una temperatura critica relativamente alta, pari a 13,8 K. È utilizzato in applicazioni che richiedono sia la superconduttività sia campi magnetici elevati.
9. Ossido di rame (CuO) L 'ossido di rame è un esempio di superconduttore ad alta temperatura che opera a una temperatura superiore a 77 K, la temperatura dell'azoto liquido. Viene utilizzato in dispositivi elettrici ed elettronici avanzati.
10. L'ossido di rame e stronzio lantanio (LSCO) fa parte della classe dei superconduttori ad alta temperatura, con applicazioni nella ricerca e nell'elettronica, compresi i dispositivi che richiedono una bassa perdita di energia.

Elenco dei superconduttori

Ecco una tabella riassuntiva che fornisce esempi più comuni di superconduttori. Per ulteriori informazioni ed esempi, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

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Conclusioni

Con una resistenza elettrica pari a zero e proprietà magnetiche uniche, i superconduttori stanno rivoluzionando campi come l'imaging medico e i trasporti. Con il proseguire della ricerca, è probabile che vengano scoperti nuovi materiali con temperature critiche più elevate, aprendo così ulteriori applicazioni.

Riferimenti:

[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002). Criogenia per acceleratori e rivelatori di particelle.

[2] Yao, Chao & Ma, Yanwei. (2021). Materiali superconduttori: Sfide e opportunità per applicazioni su larga scala. iScience. 24. 102541. 10.1016/j.isci.2021.102541.

[3] Elenco dei superconduttori. (2024, 16 agosto). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors