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pubblicato il 8 Novembre 2013 in terra

Magneti e superconduttori

Il fenomeno del magnetismo
Chi di noi non ha mai giocato ad attirare vari pezzettini di ferro con una calamita? Ecco, la calamita è quello che si definisce un magnete, cioè un corpo in grado di attrarre ferro e altri metalli come il cobalto e il nichel. Le proprietà magnetiche di alcuni minerali sono conosciute fin dall’antichità. Infatti, il termine magnete deriva probabilmente dal greco μαγντης λθος (magnétes líthos), cioè “pietra di Magnesia”, dal nome di una località dell’Asia Minore, in cui sono presenti ingenti depositi di magnetite. Per avere il primo studio moderno sul magnetismo dobbiamo aspettare il XVII secolo, quando il fisico britannico William Gilbert pubblicò nel 1600 un libro dal titolo esplicativo De Magnete. Gilbert fu il primo a dare inoltre la spiegazione scientifica del perché gli aghi magnetici delle bussole si orientano nella stessa direzione e indicò nella Terra il grande magnete in grado di orientarli. La Terra, infatti, possiede un intenso campo magnetico, responsabile tra l’altro del fenomeno suggestivo delle aurore polari.

Aurora boreale sopra il Bear Lake in Alaska. Crediti: Wikimedia Commons

Aurora boreale sopra il Bear Lake in Alaska. Crediti: Wikimedia Commons

Proprio come una calamita, la Terra possiede due poli magnetici che si trovano vicino al Polo Nord e al Polo Sud geografico. Quando un ago magnetico viene lasciato libero di muoversi, si orienta sempre in direzione Nord-Sud.Si può inoltre sperimentare direttamente che è impossibile separare i poli magnetici di un ago o di una calamita. Se si prova a tagliare una calamita, si ottengono semplicemente due calamite più piccole entrambe con un polo sud e polo nord magnetici.

Rappresentazione del dipolo magnetico. Non esistono carica magnetiche isolate. Crediti: www.openfisica.com

Rappresentazione del dipolo magnetico. Non esistono carica magnetiche isolate. Crediti: www.openfisica.com

I magneti vengono, infatti, definiti dipoli magnetici. E, come nel caso delle cariche elettriche, poli magnetici diversi si attraggono, poli uguali si respingono. A differenza della forza di gravità che è una forza di tipo esclusivamente attrattivo, le forze magnetiche possono essere repulsive o attrattive e la loro intensità diminuisce proporzionalmente con il quadrato della distanza dai poli (proporzionalità inversa). Per saperne di più sul magnetismo e il campo magnetico terrestre e le aurore polari leggi lo speciale Le fasce di Van Allen.

Il campo magnetico
Si dice che i magneti producono un campo magnetico. Ma che cos’è? La definizione scientifica di campo magnetico chiama in causa diverse conoscenze di Fisica, possiamo però visualizzarlo posizionando semplicemente una calamita sopra della limatura di ferro. Dopo pochi istanti osserviamo che le scaglie di ferro si dispongono in modo da creare una configurazione precisa, che permette una visualizzazione semplice delle linee del campo magnetico. L’andamento delle linee del campo dipende dalla forma della calamita.

Campo magnetico prodotto da una barra magnetica. Crediti: Wikimedia Commons

Campo magnetico prodotto da una barra magnetica. Crediti: Wikimedia Commons

Applicazioni dei magneti: il treno a levitazione magnetica
I magneti trovano numerosi utilizzi in diversi strumenti, tra i quali le carte di credito e i bancomat, le cassette VHS, i floppy disk e gli hard disk e, tra i più interessanti, c’è sicuramente il treno a levitazione magnetica.
Possiamo spingere un treno a velocità elevate utilizzando la sola attrazione e repulsione magnetica? La risposta è sì! È il caso dei treni a levitazione magnetica, anche detti Maglev, che possono viaggiare sospesi sulle rotaie senza mai toccarle. E, visto che il treno è sospeso in aria e non tocca mai le rotaie, non disperde energia perché non risente dell’attrito dovuto allo sfregamento sulle rotaie. Permane ovviamente l’attrito dell’aria, che però è presente anche per un treno comune. Il ridotto attrito permette ai convogli di raggiungere velocità elevatissime fino a 581 km/h, con un abbattimento dei consumi energetici e anche dell’inquinamento acustico.
A Shanghai, il treno Maglev Transrapid collega la città con l’aeroporto, distanti 30 chilometri, in soli 7 minuti e 20 secondi, viaggiando alla velocità di ben 200 km/h con punte di 501,5 km/h.

Treno a levitazione magnetica Maglev Transrapid di Shanghai. Può raggiungere  una velocità massima di 501,5 km/h. Crediti: Yosemite

Treno a levitazione magnetica Maglev Transrapid di Shanghai. Può raggiungere
una velocità massima di 501,5 km/h. Crediti: Yosemite

Tali velocità sono in grado si fare concorrenza a un aereo. E, sempre in Giappone, recentemente, la Japan Railway Comp. ha concluso i test di velocità su i nuovi treni SCMaglev basati sulla tecnologia a levitazione magnetica superconduttiva.

Il treno SCMaglev Serie L01 ha raggiunto la velocità di 505 km/h. Crediti: JR Tokai

Il treno SCMaglev Serie L01 ha raggiunto la velocità di 505 km/h. Crediti: JR Tokai

Il treno è stato spinto fino alla velocità di 505 km/h su una breve tratta (circa 42 chilometri) della linea Tokyo-Nagoya. L’obiettivo e di coprire la tratta Tokyo – Osaka lunga 500 chilometri in soli 60 minuti. Fino a qui tutto sembra fantastico, c’è però la nota dolente ed è molto pesante: l’elevatissimo costo di realizzazione. La sola tratta Tokyo-Nagoya costerà complessivamente 50,9 miliardi di dollari, mentre per arrivare fino a Osaka ci vorranno 91,7 miliardi, per un totale di circa150 miliardi di dollari. Ecco spiegato perché fino ad ora l’impiego di tali treni si è limitato a pochi casi in Cina, Giappone e Germania.
Una curiosità: l’agenzia spaziale americana (NASA) sta vagliando la possibilità di impiegare i sistemi di propulsione maglev anche nei lanci spaziali per riuscire a superare la velocità di fuga terrestre (la velocità a cui un oggetto deve muoversi per poter sfuggire al campo gravitazionale della Terra) senza dispendio di eccessivo carburante.

UAQ4 – un’eccellenza tutta italiana
Nel suo piccolo, anche l’Italia sta facendosi valere nel campo dei treni ad alta velocità magnetici. È il caso dell’ UAQ4 (Università dell’Aquila modello 4) un treno a via guidata o treno a levitazione magnetica, ovvero un sistema in cui non vi è contatto fisico tra le parti fisse, cioè le rotaie, e il treno. Realizzato da un team di ricercatori dell’Università dell’Aquila, il sistema usa super magneti distribuiti lungo la guidovia e superconduttori raffreddati con azoto liquido a bordo del veicolo. E arriviamo al secondo punto di questo approfondimento. Che cos’è un superconduttore? E come viene impiegato nel treno UAQ4?
I superconduttori sono particolari materiali che, se portati a temperature più basse di una certa soglia, detta temperatura critica (vicina allo zero assoluto, 0 K (gradi Kelvin) = −273 °C), mostrano una resistività elettrica o resistenza elettrica praticamente nulla. Tale fenomeno fu scoperto nel 1911 dal fisico tedesco Heike Kamerlingh Onnes, osservando che la resistività elettrica del mercurio si annullava a temperature di circa 4 K. Fin da subito questo annullamento venne accolto con entusiasmo perché permette alle cariche (corrente) di muoversi nei conduttori, anche a grandi distanze, senza che venga dissipato colore per effetto Joule (per capirci è lo stesso fenomeno alla base del funzionamento delle lampadine a incandescenza). Resta aperto il problema del raffreddamento costante del conduttore.
Nel treno UAQ4 l’interazione tra i campi magnetici prodotti dai supermagneti e i superconduttori sostengono e contemporaneamente guidano il veicolo in ogni fase del moto: in altri termini il treno resta sempre sospeso e confinato sui binari. E addio deragliamenti! Questo sistema, infatti, riduce quasi a zero la possibilità di un deragliamento in quanto produce una sorta di effetto di richiamo, esattamente come una calamita, ogni qualvolta il treno si allontana dalla posizione stabilita. Tutto ciò impedisce al convoglio di uscire dal tracciato.
Un’altra applicazione interessante della superconduttività e dei super magneti rimane senza dubbio quella degli acceleratori di particelle, il più famoso è il CERN di Ginevra. I superconduttori vengono impiegati negli acceleratori di particelle per curvare la loro traiettoria su orbite circolari.

Veduta aerea dell'LHC in funzione a Ginevra con  immagine di un particolare dell'acceleratore. Crediti: INFN

Veduta aerea dell’LHC in funzione a Ginevra con immagine di un particolare dell’acceleratore.
Crediti: INFN

Come è possibile curvare una particella e costringerla a seguire un percorso definito? Quando una particella carica si muove in un campo magnetico agisce su di essa una forza, detta forza di Lorentz, che curva la traiettoria costringendo a particella a muoversi su un’orbita circolare.

Moto di una particella carica in moto in un campo magnetico perpendicolare al piano della figura.  Se la particella non ha carica essa non subisce deviazione da parte del campo magnetico.  Crediti: Wikimedia Commons

Moto di una particella carica in moto in un campo magnetico perpendicolare al piano della figura. Se la particella non ha carica essa non subisce deviazione da parte del campo magnetico. Crediti: Wikimedia Commons

Le velocità delle particelle sono estremamente elevate, di conseguenza le forze di Lorentz applicate devono essere altrettanto elevate. Questa condizione si ottiene producendo campi magnetici molto intensi, realizzabili in modo conveniente dal punto di vista energetico solo tramite magneti superconduttori, in grado di ridurre enormemente la potenza richiesta dagli alimentatori.

a cura di Simona Romaniello,
astrofisica e divulgatrice scientifica, per il planetario di Torino si occupa di formazione e di sviluppo e di allestimenti museali.

 
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