Il trenino MAGLEV

di Domenico Pio De Simone (3^F)

Nella giornata di sabato 27 maggio 2017 noiragazzi del gruppo junior EEE (il progetto Extreme Energy Events)abbiamo visitato, in occasione degli “Open Labs”,i Laboratori Nazionali di Frascati. La visita ai siti sperimentali ci ha offerto la possibilità di scoprire il lavoro svolto dai ricercatori, con il “maker lab”, invece,abbiamo partecipato attivamente alle dimostrazioni interattive.

Una delle postazioni sperimentali che ha suscitato maggiore interesse fra noi ragazzi è stataquella relativa al trenino a levitazione magnetica. La levitazione magnetica è un fenomeno secondo il quale un corpo rimane sospeso rispetto ad un altro senza l’aiuto di alcun supporto meccanico, ma solo grazie all’utilizzo di campi magnetici che contrastano gli effetti della forza di gravità. Questo tipo di tecnologia è stata sviluppata in alcuni paesi come il Giappone, che l’ha introdotta ed utilizzatain alcuni mezzi di trasporto: i treni Maglev (MagneticLevitation)

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Treno Maglev (Giappone)

L’esperimento, riprodotto in laboratorio, consiste nel far fluttuare su una rotaia magnetica un trenino sulla cui base sono stati inseriti delle pasticche di materiale ceramico granulare ad alta temperatura critica (Tc=90K) chiamato YBCO (YBa2Cu3O7-x) alla temperatura dell’azoto liquido (77K).

Come si può vedere nel video, la locomotiva e il vagone di polistirolo, dopo essere stati raffreddati con azoto liquido, vengono messi in moto cominciando così a levitare sulla rotaia magnetica.

La fase superconduttiva di un materiale è caratterizzata da due effetti

  • l’annullamento della resistenza elettrica di un conduttore
  • l’espulsione del campo magnetico

Quando una sostanza viene raffreddata al di sotto di una temperatura critica, l’elettricità fluisce nel materiale senza incontrare alcuna resistenza, in altre parole si può trasportare una supercorrente elettrica a qualsiasi distanza senza perdite.

L’espulsione dal campo magnetico (noto anche più semplicemente come effetto Meissner) è un fenomeno che consiste nell’espulsione del campo magnetico dall’interno di un superconduttore. Quando un superconduttore viene immerso in un campo magnetico di intensità inferiore ad un certo valore critico, esso manifesta un diamagnetismo perfetto, espellendo il campo magnetico dal suo interno; ciò avviene tramite la generazione di correnti superficiali che inducono, all’interno del superconduttore, un campo magnetico opposto a quello applicato.

Una spiegazione del fenomeno superconduttivo è stata fornita, nel 1957, dai fisici Bardeen, Cooper, Schrieffer ed è nota come teoria BCS.

Sappiamo che un solido in genere è costituito da un numero enorme di atomi fissati in un reticolo cristallino, questi atomi vibrano e le vibrazioni, dal punto di vista quantistico, sono chiamate fononi. aaaNei metalli, un elettrone di conduzione muovendosi liberamente attraverso il reticolo, lo deforma a causa dell’interazione colombiana. Questa regione del reticolo attira, a sua volta, un altro elettrone presente nelle vicinanze creando così una “coppia di Cooper”. Il legame tra i due elettroni è debole, con un’energia dell’ordine del meV, ma sufficiente ad impedire che la coppia venga divisa a causa degli ostacoli della normale conduzione. Chiaramente è essenziale che con la diminuzione della temperatura vengano smorzati i fononi (vibrazioni) eccitati termicamente che andrebbero a distruggere le coppie di Cooper e di conseguenza lo stato di superconduzione del metallo.

Solo i materiali con alta resistenza elettrica a temperatura ambiente si possono definire adatti per questo fenomeno, altri metalli come oro o argento non sono adatti a causa della loro alta conducibilità elettrica e quindi non si presentano come superconduttori. I superconduttori a loro volta, permettono ai quanti di flusso (flussoni) di muoversi in esso, creando tramite effetto Joule del calore durante il loro movimento. La supercorrente in presenza di un campo magnetico produce la transizione da stato superconduttore a stato normale. In generale un materiale reale presenta imperfezioni, precipitati, difetti, atomi inquinanti, rispetto allo stato superconduttore circostante. Queste imperfezioni si comportano come veri e propri “ancoraggi”, producono zone che sono elettricamente o con una ‘superconduttività ridotta’ o in uno ‘stato normale’, quindi in ultima analisi impediscono il moto dei flussoni aumentando il valore della supercorrente sostenibile dal materiale.

Venire a conoscenza di questi fenomeni è stata per noi sicuramente un’esperienza affascinante e indimenticabile. Ha suscitato in noi studenti il piacere della scoperta, il brivido della scienza, e la conoscenza di un “mondo più piccolo e complesso”.

 Domenico Pio De Simone 3^F

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