La superconduttività e il fenomeno della resistenza elettrica

La Superconduttività e i Materiali Superconduttori

La superconduttività è un fenomeno fisico che si verifica quando alcuni materiali, una volta raffreddati al di sotto di una specifica temperatura critica, perdono ogni resistenza al passaggio della corrente elettrica. Questo comporta la possibilità di trasportare corrente senza perdite energetiche, potenzialmente per un tempo illimitato senza l'apporto di energia esterna. La scoperta dei superconduttori ad alta temperatura critica, come i cuprati (composti a base di rame), ha ampliato le possibilità di applicazione pratica di questi materiali, grazie alla possibilità di utilizzare azoto liquido per il loro raffreddamento, più accessibile rispetto all'elio liquido. I superconduttori trovano impiego in diversi settori, tra cui la medicina, per la realizzazione di magneti utilizzati negli apparecchi di risonanza magnetica.

La Conduzione Elettrica nei Metalli

I metalli sono caratterizzati da una struttura cristallina in cui gli ioni positivi sono immersi in un mare di elettroni liberi, che costituiscono il gas degli elettroni di conduzione. Questi elettroni si muovono in modo disordinato a causa dell'agitazione termica, ma quando viene applicato un campo elettrico, essi acquisiscono una velocità media diretta, detta velocità di deriva, che dà origine alla corrente elettrica. La corrente elettrica nei metalli è quindi il risultato del moto ordinato degli elettroni di conduzione, che si sovrappone al loro moto termico casuale, e permette il funzionamento di dispositivi elettronici e l'illuminazione.

La Velocità di Deriva e l'Intensità di Corrente

La velocità di deriva è la velocità media degli elettroni di conduzione in un conduttore quando è presente un campo elettrico. Nonostante sia molto più bassa rispetto alla velocità del moto termico, è sufficiente per generare una corrente elettrica. L'intensità di corrente (I) è direttamente proporzionale alla velocità di deriva (vd) e si può esprimere con la formula I = nqAvd, dove n è la densità degli elettroni, q la carica elementare, A la sezione trasversale del conduttore e vd la velocità di deriva. Questa relazione è fondamentale per comprendere il comportamento elettrico dei metalli e per progettare circuiti elettrici efficienti.

La Relazione tra Resistività e Temperatura nei Metalli

La resistività dei metalli è influenzata dalla temperatura. Con l'aumento della temperatura, gli ioni del reticolo cristallino vibrano con maggiore ampiezza, causando un incremento delle collisioni con gli elettroni di conduzione e, di conseguenza, un aumento della resistività. Tuttavia, in alcuni metalli, come il mercurio, la resistività si riduce a zero al di sotto di una temperatura critica, dando luogo al fenomeno della superconduttività, scoperto da Heike Kamerlingh Onnes nel 1911. I superconduttori sono quindi classificati in base alla loro temperatura critica, che varia da materiale a materiale.

La Spiegazione Microscopica dell'Effetto Joule

L'effetto Joule descrive il riscaldamento di un conduttore percorso da corrente elettrica, dovuto alle collisioni tra gli elettroni di conduzione e gli ioni del reticolo cristallino. Durante queste collisioni, gli elettroni trasferiscono parte della loro energia agli ioni, causando un aumento dell'energia cinetica e, di conseguenza, della temperatura del conduttore. La legge di Ohm, espressa dalla formula V = IR, dove V è la differenza di potenziale, I l'intensità di corrente e R la resistenza, implica che a parità di differenza di potenziale (V), la corrente (I) e quindi la velocità di deriva degli elettroni rimangono costanti, nonostante le collisioni. Questo fenomeno è alla base del funzionamento di molti dispositivi elettrici che generano calore, come i radiatori e le stufe elettriche.