IX
Il fenomeno della superconduttività ha suscitato vivo interesse
nel mondo scientifico fin dalla sua scoperta, in virtù delle numerose
applicazioni ipotizzabili avendo a disposizione conduttori elettrici
dotati di resistenza praticamente nulla.
La ricerca in questo campo ha seguito prevalentemente due
orientamenti: lo studio a livello microscopico delle caratteristiche di
tale fenomeno, cioè delle modalità secondo le quali esso si
manifesta, e la realizzazione di materiali superconduttori utilizzabili
per scopi pratici, cioè aventi la più alta temperatura critica possibile.
Non si deve infatti dimenticare che la prima prova dell'esistenza
della superconduttività si ottenne lavorando con il mercurio
raffreddato alla temperatura dell'elio liquido (4.2 K).
Nell'ultimo decennio la ricerca sui superconduttori ha poi avuto
una forte accelerazione, grazie alla scoperta di nuovi materiali che
manifestano proprietà superconduttive a temperature decisamente
più alte dei tradizionali superconduttori metallici. Nel 1986 è stato
infatti sintetizzato un ossido di lantanio, bario e rame (La-Ba-Cu-O)
avente una temperatura critica di 30K. A seguito di tale scoperta, si
sono poi ottenuti altri composti presentanti una temperatura critica
sempre più elevata; tra questi è necessario ricordare un ossido di
ittrio, bario e rame (Y-Ba-Cu-O) realizzato nel 1987, avente una
temperatura critica prossima a 95K, quindi superiore a quella di
ebollizione dell'azoto liquido (77K). Di più recente sintesi sono i
cosiddetti BSCCO (ossidi di bismuto, stronzio, calcio e rame) che
presentano anch'essi una temperatura critica superiore a quella di
ebollizione dell'azoto liquido. Attualmente il record è detenuto da
un composto di mercurio, bario, calcio, rame e ossigeno ottenuto
nel 1993, il quale presenta una temperatura critica di 135K, che sale
a 164K se il materiale viene sottoposto a una pressione di 31GPa ( |
3000 Kg/mm
2
).
X
Grazie a tali materiali, le proprietà superconduttive possono
diventare, in breve tempo, utilizzabili in numerose applicazioni;
queste vanno dall'impiego dei superconduttori nei magneti degli
acceleratori di particelle alla realizzazione di apparecchiature per
diagnostica senza radiazioni ionizzanti, dalle ricerche sulla fusione
alle classiche applicazioni di trasporto di energia. Nonostante
questa ampia gamma di possibili utilizzazioni, gli ossidi
superconduttori, allo stato attuale, non hanno ancora raggiunto un
elevato grado di sfruttamento industriale, a causa della loro scarsa
lavorabilità e del livello, ancora piuttosto insoddisfacente, delle loro
prestazioni elettriche e meccaniche.
Nell'ambito dell'elettrotecnica e, in particolare, delle tecnologie
elettriche, una delle applicazioni di maggior interesse è senz'altro
quella relativa alla costruzione di cavi per il trasporto dell'energia,
tenendo anche conto del fatto che, per molti aspetti costruttivi, essi
sono assimilabili ai cavi a temperature criogeniche. In questo
settore sono stati fatti notevoli passi avanti, e molte industrie
produttrici di cavi stanno realizzando dei prototipi con
superconduttori ad alta temperatura critica.
La ricerca per la progettazione e la realizzazione di un cavo
costituito da un ossido superconduttore è stata sviluppata in questi
ultimi anni anche dalla Pirelli Cavi e Sistemi Spa. Questa industria
vanta un'esperienza importante nel campo dei cavi tradizionali, sia
per quanto riguarda il loro livello di tensione sia per le diverse
condizioni di posa e ha fornito tutti i materiali utilizzati per la
realizzazione di questo lavoro. Le ricerche mirano ad ottenere, a
partire dal materiale di base, nastri superconduttori con prestazioni
elettriche sempre più elevate (in particolare alta corrente critica, che
consiste nella massima corrente trasportabile con resistenza nulla) e
caratteristiche meccaniche adeguate alle esigenze di costruzione. In
riferimento a quest'ultimo aspetto è importante far notare che gli
ossidi superconduttori, a causa della loro natura ceramica, sono dal
XI
punto di vista meccanico molto deboli, per cui mal sopportano gli
sforzi assiali e trasversali che inevitabilmente si presentano nella
costruzione e nella posa di un cavo.
Per risolvere tali problemi la American Superconductor Corp.,
fornitore esclusivo di materiali superconduttori della Pirelli Cavi e
Sistemi, ha recentemente immesso sul mercato nastri
superconduttori di nuova concezione, nei quali le proprietà
elettriche sono assicurate da un composito Ag-BSCCO (come per i
materiali della passata generazione), mentre la resistenza meccanica
è stata notevolmente migliorata con l’introduzione di due lamine di
acciaio che rivestono il fragile inserto superconduttore.
In questa tesi si è studiato il comportamento di campioni di questi
nastri. Si sono scelte, come sollecitazioni, la trazione,
l’allungamento ed il piegamento. Mediante dispositivi concepiti ad
hoc è stato possibile sottoporre i provini a trazione ed allungamento
in azoto liquido, quindi nelle reali condizioni di utilizzo del nastro
superconduttore.
Il grado di deterioramento dei campioni è stato valutato
misurando la densità di corrente critica dopo aver impresso la
sollecitazione. Per effettuare queste misure è stato ideato e
realizzato un sistema che consente la rilevazione automatica, gestita
via software, della caratteristica voltamperometrica.
Questo sistema ha consentito anche di realizzare prove di
invecchiamento meccanico dei nastri superconduttori rinforzati, che
ne hanno, congiuntamente alle prove di breve termine, rivelato le
ottime caratteristiche meccaniche. Allo scopo di evidenziare
l’enorme passo avanti che si è compiuto dai parte dei produttori di
superconduttori sono stati riportati risultati di lavori precedenti.
I materiali che compongono il nastro sono stati caratterizzati
anche dal punto di vista elettromangetico rilevandone il ciclo
d'isteresi dinamico. Nel presente lavoro si sono utilizzati, per
XII
effettuare queste misure, circuiti messi a punto precedentemente,
apportando però piccole migliorie resesi necessarie nel procedere
delle prove.
Nel primo capitolo di questa tesi sono illustrati i vari aspetti della
teoria della superconduttività.
Nella prima parte del secondo capitolo ci si sofferma sui
materiali superconduttori ad alta temperatura critica, con particolare
attenzione agli ossidi cuprati, dei quali sono descritte le
caratteristiche ed i metodi di preparazione; nella seconda parte sono
descritte le applicazioni attuali e future dei superconduttori, con
particolare attenzione ai cavi per il trasporto di energia e tutte quelle
applicazioni, attinenti l’ingegneria elettrica, che prevedono l’uso di
superconduttori ad alta temperatura critica. Nell’ultima parte,
infine, si è cercato di fornire una valutazione di quelle che sono le
prospettive di mercato di questi materiali.
Nel terzo capitolo vengono introdotte le misure effettuate per
descrivere il comportamento dei materiali e illustrati i relativi
sistemi e circuiti di misura.
Nel quarto capitolo sono riportati e discussi i risultati delle prove
volte alla caratterizzazione elettromagnetica dei materiali utilizzati.
Nel quinto e nel settimo capitolo sono riportati e discussi i
risultati delle prove di resistenza alle sollecitazioni meccaniche a
breve e lungo termine.
Nel sesto capitolo sono stati riportati i risultati relativi all’analisi
della caratteristica tensione-corrente con un metodo sperimentale.
Esso consiste nel calcolare numericamente le derivate prima e
seconda della caratteristica V-I e tramite queste, in modo particolare
riportando la derivata prima in carta di Weibull, valutare l’effetto
dell’invecchiamento, o dei difetti, in un modo alternativo al classico
metodo che consiste nella valutazione del valore della corrente
XIII
critica. Si è anche cercato di studiare l’effetto dimensionale sui
campioni di materiale.
Nell’appendice sono riportati i listati dei programmi che sono
stati realizzati per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati.
Un ringraziamento sincero va a tutti i ricercatori della Pirelli Cavi
e Sistemi Spa, che, oltre a fornire i materiali, hanno condiviso
l'esperienza acquisita negli anni passati.
Un particolare ringraziamento va anche all’ Ing. Ilihc Ghinello,
che mi ha seguito per tutta la durata della tesi.
Ricordo inoltre che tutta la ricerca è stata svolta nei laboratori del
Dipartimento di Ingegneria Elettrica, dove si è sempre trovata la
preziosa collaborazione e la massima disponibilità dell'Ing. Andrea
Albertini e quella, non del tutto disinteressata, del Sig. Enzo do ut
des Gervasi.
Ricorderò sempre con grande affetto tutti i ragazzi della Sala
Schermata che in questi mesi mi hanno sopportato e che con me
hanno sopportato e seguito gli ordini impartiti dal capo-cantiere
Enzo Gervasi durante i lavori di ristrutturazione dei locali del
laboratorio.
Se oggi il Dipartimento di Ingegneria Elettrica può vantare una
struttura “all’avanguardia”, come la SALA SCHERMATA, lo si deve
al duro lavoro di Luca, Samuele, Davide, Ilihc, Alessandro,
Maurizio e del sottoscritto.
Bologna, lì 12 Giugno 1998
Francesco Sciocchetti
CAPITOLO 1
ASPETTI GENERALI DELLA
SUPERCONDUTTIVITÀ
Capitolo 1
2
1.1 - Cenni storici
La scoperta della superconduttività avvenne, quasi per caso, nel
1911 in seguito alle ricerche sulle tecniche criogeniche effettuate
dal fisico olandese H.K.Onnes presso l'università di Leinden; egli
infatti, riuscendo nel 1908 a liquefare l'elio, fu in grado di
raggiungere temperature inferiori a 1K.
Uno dei primi studi di Onnes, grazie al nuovo campo di
temperature che l'elio liquido gli metteva a disposizione, fu una
ricerca sull'andamento della resistenza elettrica dei metalli alle
basse temperature. Era infatti noto da molto tempo che tale
resistenza diminuiva quando il metallo veniva raffreddato al di sotto
della temperatura ambiente, ma non era noto quale fosse il suo
valore limite quando la temperatura tende a 0 K.
Inizialmente Onnes eseguì degli esperimenti sul platino e osservò
che la resistenza tendeva a un valore limite dipendente dalla
purezza del materiale (in accordo con la legge di Matthiessen
1
).
Poiché in quel periodo il metallo disponibile al più alto grado di
purezza era il mercurio (in quanto poteva facilmente essere
purificato mediante distillazione), esso venne utilizzato da Onnes al
fine di studiare il comportamento di un metallo puro.
Egli scoprì così che a basse temperature la resistenza del
mercurio diventava praticamente non misurabile, cosa che si
aspettava, ma scoprì anche che il modo con cui la resistenza
scompariva era assolutamente sconcertante.
1
- La legge di Matthiessen pone la resistività dei metalli pari alla somma di due
termini, uno dipendente dalla temperatura e l'altro legato al grado di purezza del
metallo.
Aspetti generali della superconduttività
3
In queste condizioni venne infatti osservato che la caratteristica
resistenza-temperatura, invece di calare gradualmente subiva, una
brusca variazione di inclinazione nell'intorno di 4.26K, diminuendo
fino a valori non misurabili (resistenza di 10
-5
: a 4.2K,
corrispondente ad una resistività Υ inferiore a 10
-23
:cm; fig. 1.1)
[1].
Fig. 1.1 La prima osservazione di superconduttività di H.Kamerlingh
Onnes. Resistenza elettrica in funzione della temperatura per il mercurio
(Hg) con transizione a 4.2K.
Onnes osservò, inoltre, che tale transizione non avveniva
solamente se il materiale era perfettamente puro, ma anche se il
materiale era moderatamente impuro.
Egli ipotizzò allora che, al di sotto di 4K, il mercurio passasse in
un nuovo stato con proprietà elettriche completamente diverse da
quelle precedentemente note; questo stato venne chiamato, appunto,
stato superconduttivo.
Capitolo 1
4
Onnes scoprì, infine, che tale "nuovo" stato poteva essere
"distrutto" applicando un campo magnetico sufficientemente forte
al materiale pur mantenendo la temperatura costantemente al di
sotto di quella di transizione.
Ai tempi della scoperta si pensò che la superconduttività fosse un
fenomeno raro, attualmente, invece, è noto che circa metà degli
elementi metallici
2
e anche un certo numero di leghe presenta, a
basse temperature, tale stato (esistono leghe che diventano
superconduttive anche se composte da metalli che singolarmente
non lo sono).
Nei 22 anni che seguirono la scoperta dei superconduttori tutti i
ricercatori assunsero come indiscutibile l'idea che tali materiali si
comportassero, nei confronti del campo magnetico, come le leggi di
Maxwell indicavano per i conduttori perfetti (in seguito questi
concetti verranno ampiamente approfonditi) ma ciò doveva risultare
profondamente sbagliato.
Nel 1933, infatti, i fisici W. Meissner e R. Ochsenfeld
misurarono la distribuzione del flusso magnetico all'esterno di
provini di stagno e piombo, raffreddati al di sotto della loro
temperatura di transizione all'interno di un campo magnetico
(ovviamente di valore inferiore a quello necessario alla distruzione
dello stato superconduttivo).
Essi scoprirono che tale distribuzione era totalmente diversa da
quella attesa, in quanto nello stato superconduttivo il materiale
spontaneamente espelleva completamente il campo magnetico,
diventando cioè perfettamente diamagnetico (fig. 1.2).
2
- L'elemento con la più alta temperatura di transizione è il Niobio ( 9.3K )
Aspetti generali della superconduttività
5
Fig. 1.2 Distribuzione del flusso magnetico nell'intorno di un corpo
perfettamente diamagnetico.
Tale comportamento non era spiegato dalle leggi di Maxwell, che
anzi prevedevano per il materiale un comportamento molto diverso
in quelle condizioni esterne (il campo sarebbe dovuto rimanere
costante al suo interno).
Questi esperimenti furono i primi a dimostrare che i
superconduttori sono qualcosa di più di conduttori perfetti, i
superconduttori hanno infatti la proprietà di avere sempre B = 0 al
loro interno (ovviamente quando si trovano nello stato
superconduttivo).
Questo effetto è chiamato (un po' ingiustamente nei confronti di
Ochsenfeld ) effetto Meissner [2].
Capitolo 1
6
Fin dalla sua scoperta la superconduttività si presentò come un
aspetto affascinante del comportamento di certi metalli e stimolò il
lavoro di numerosi ricercatori, per lo più chimici e fisici; gli studi
miravano a capire il meccanismo che regola questo particolare
fenomeno, nella speranza di poter aumentare la temperatura alla
quale si manifesta (infatti rimanendo intorno a valori di temperatura
inferiori ai 20K, come per i primi materiali superconduttori, la
superconduttività non avrebbe potuto costituire più di un puro
interesse da laboratorio).
Ai fisici F. e H. London si deve il primo tentativo di
interpretazione fisica del fenomeno, con l'introduzione del concetto
di fluido di superelettroni (1935) [3].
Tra le molte teorie avanzate nel corso degli anni seguenti, quella
attualmente più accreditata è la teoria microscopica della
superconduttività [4], nota col nome di "teoria B.C.S." (di cui si
tratterà più avanti) formulata nel 1957 dai fisici J.Bardeen,
L.N.Cooper, J.R.Schrieffer; essa è in grado di spiegare gran parte
dei risultati sperimentali trovati, anche se, comunque, non sembra
essere la teoria conclusione.
Per quanto riguarda il tentativo di elevare la temperatura di
transizione, gli esiti furono inizialmente alquanto deludenti (fino al
1986 la massima temperatura di transizione raggiunta fu di 23K:
Nb
3
Ge del 1973), in seguito però alla scoperta dei superconduttori
ceramici, avvenuta nel 1986 ad opera dei due scienziati K.A.Muller
e J.G.Bednorz [5], C.W.Chu riuscì nel 1987 ad ottenere transizioni
a temperature superiori ai 90K [6].
Nelle pagine seguenti sono elencati alcuni tra i fatti di maggior
rilevanza nella storia dei superconduttori che forniscono un quadro
temporale dell'evoluzione di questa tecnologia.
Aspetti generali della superconduttività
7
80 anni di superconduttività
Anno
Autore/i Evento
1908
H. Kamerling
Onnes
Ottiene la liquefazione dell'elio
presso i laboratori di Leinden.
1911
H. Kamerling
Onnes
Scopre la superconduttività nel
corso di ricerche sulla
conduzione del mercurio a basse
temperature.
1913
H. Kamerling
Onnes
Scopre che la superconduttività
scompare in presenza di un
campo magnetico superiore ad un
valore critico dipendente dalla
temperatura.
1933
H. Kamerling
Onnes
W. Messener
R.Ochsenfeld
Vince il premio Nobel.
Scoprono che i superconduttori si
comportano come diamagneti
perfetti.
I superconduttori possono
levitare magneticamente!
1934
C.J. Gorfer
H.B.G. Casimir
Propongono un modello a due
fluidi che fornisce una
descrizione macroscopica delle
proprietà termodinamiche dei
supercondut-
tori.
Capitolo 1
8
1935
F. e H. London
Descrivono macroscopicamente
la elettrodinamica dei
superconduttori (spiegazione
dell'effetto Messener
Ochsenfeld).
1946
V.L. Ginzburg
Suggerisce l'esistenza di un gap
di energia nella densità di stati
elettronici di un superconduttore.
1950
H. Fröhlich
V.L. Ginzburg
L.D. Landau
A.B. Pippard
E. Maxwell
C.A. Reynolds et
al.
Formula una teoria microscopica
dello stato superconduttivo
basata sull'interazione elettrone-
fonone.
Propongono una teoria
fenomenologica della super-
conduttività basata sulla teoria
statistica delle transizioni di fase.
Introduce il concetto di coerenza.
Scoprono l'effetto isotopico:
T
c
dipendente dalla massa
isotopica dello ione metallico
presente nel campione.
1953
B.B. Goodman
Mediante misure di conducibilità
termica mette in evidenza
l'esistenza del gas super-
conduttivo.
1956
S.C. Colins
L.N. Cooper
Determina sperimentalmente il
limite superiore della resistività
di un superconduttore.
Introduce il concetto di coppia di
elettroni.
Aspetti generali della superconduttività
9
1957
J. Bardeen
L.N. Cooper
J.R. Schrieffer
Formulano la teoria microscopica
della superconduttività (B.C.S.).
1960
I. Giaever
Realizza un esperimento di
tunnel fra superconduttori.
Osservazione della densità degli
stati in un superconduttore.
1961
J.E. Kunzler et al.
B.S. Deaver
W.M. Fairbank
Scoprono il campo critico
estremamente alto del Nb
3
Sn.
Verificano sperimentalmente la
quantizzazione del flusso
racchiuso da un superconduttore
a forma di anello.
1962
B.D. Josephson
Prevede la "superconduttività
debole" (effetto Josephson).
1963
P.W. Anderson
J.M. Rowell
Osservano l'effetto Josephson in
una giunzione tunnel
superconduttore.
1972
J. Bardeen
L.N. Cooper
J.R. Schrieffer
Vincono il premio Nobel.
1973
I. Giaever
B.D. Josephson
J.R. Gavaler
Vincono il premio Nobel.
Prepara un composto di Nb
3
Ge
con temperatura critica di circa
23K (la più alta tra i
superconduttori metallici
tradizionali).
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