MOSEM Project
LLP-LdV-TOI-2007NO/165.009
UNIVERSITÀ DI UDINE
Unità di Ricerca in Didattica della fisica
Percorsi didattici
Sperimentazioni coordinate da Udine
Printed 2010-10-03
Page 1 of 14
Percorsi didattici sulla Superconduttività
Supercomet 2 (SUPERCOnductivity Multimedia Educational Tool phase 2) è un Progetto del
Programma Leonardo da Vinci fase II dell’Unione Europea, che ha coinvolto Università e Scuole
Secondarie di 15 Nazioni Europee. Obiettivo di questo Progetto è stato la produzione di uno
strumento multimediale per l’insegnamento della superconduttività e la creazione di una comunità
internazionale a livello Europeo, in grado di rivitalizzare l’insegnamento della fisica basandosi su
nuove collaborazioni internazionali. I materiali che hanno costituito il principale prodotto delle
prime fasi del progetto stesso sono stati di diversa natura: animazioni interattive, testi, video,
materiali hands-on per dimostrazioni/esplorazioni e misure su fenomeni relativi alla
superconduttività, l’elettromagnetismo e l’elettrodinamica1. Questi materiali (CD-SC2 d’ora in
poi) sono stati usati sia nei seminari e nella formazione insegnanti sia nelle sperimentazioni in
classe nelle diverse scuole partner. In Italia l’Università di Udine ha condotto e coordinato una tra
le più ampie sperimentazioni realizzate nell’ambito dei suddetti progetti, coinvolgendo studenti e
insegnanti di molte scuole dalla Sicilia fino a Bolzano e Udine, nelle regioni del nord Italia.
Fig. 1 Il quadro delle sperimentazioni italiane di Supercomet 2.
Tali sperimentazioni sono state condotte in 12 classi diverse e hanno previsto, seppure con
strategie e impostazioni diverse, l’uso integrato di esperimenti e simulazioni di CD-SC2. Hanno,
inoltre, affrontato gli aspetti concettuali della superconduttività utilizzando l’approccio,
prettamente qualitativo e basato su modelli meccanici analogici, seguito in CD-SC2.
Si presentano qui le quattro tipologie principali di impostazioni didattiche sulla superconduttività
messe a punto nel contesto della sperimentazione italiana del progetto Supercomet 2 e coordinate
dall’Università di Udine, attraverso quattro dei 12 progetti didattici che sono stati sperimentati da
docenti nelle scuole, con brevi note di commento per evidenziarne il ruolo nei curricoli e i punti di
maggiore criticità che li caratterizzano.
1
Engstrom, V. et al. (2004) Supercomet on line Learning Modules. http://online.supercomet.no
Page 2 of 14
Printed 2010-10-03
Percorso A -– Approccio alla superconduttività tramite le proprietà magnetiche
Il progetto didattico “Introduzione alla superconduttività” qui presentato è stato messo a punto
dalla prof. M. Michelini. È stato sperimentato in attività di tirocinio nella SSIS (M. Braida) in una
classe quinta del Liceo Scientifico Tecnologico dell’ITI Malignani di Udine: con la collaborazione
dell’insegnante M. Buganza; seguendo un approccio alle proprietà magnetiche dei
superconduttori, con ruolo attivo degli studenti e attività condotte a gruppi. La sperimentazione è
durata complessivamente 10 ore, 2 per il pre-test e il post-test e 8 di attività sperimentali e di
simulazione. Parte integrante e qualificante del progetto didattico sono gli strumenti didattici
messi a punto e utilizzati nella sperimentazione:
•
•
•
Otto schede di lavoro, una per ciascuna sezione del percorso, progettate per: suggerire agli
studenti percorsi e stimolare atteggiamento problematico; raccogliere indicazioni sui loro
processi di apprendimento
Un questionario sui principali nodi del percorso, utilizzato come pre-test e post-test
Un documento di sintesi sulla superconduttività a supporto dello studio individuale degli
studenti.
Il filo dei contenuti viene presentato nei suoi segmenti (A1-8A), indicando in parentesi con
numero progressivo gli esperimenti effettivamente svolti con gli studenti.
A1 – Al riconoscimento delle proprietà ferromagnetiche di alcuni metalli come il ferro, il nichel e
le rispettive leghe, è finalizzata una preliminare esplorazione degli effetti dell’interazione di uno
stesso magnete esploratore con oggetti diversi fatti di diversi materiali (Esp. 1.1a –Fig 2). Si
individuano i diversi comportamenti e si classificano gli oggetti in base al fatto che interagiscano
o meno con il magnete, determinando le seguenti classi: oggetti ferromagnetici, come quelli fatti
di acciaio, ferro o nichel; oggetti non ferromagnetici, come quelli composti da metalli come il
rame, il bronzo l’alluminio e gli oggetti non metallici. Si riconosce in particolare che non tutti i
metalli manifestano proprietà ferromagnetiche. L’esplorazione dell’interazione si completa con il
riconoscimento della reciprocità e della dipendenza della distanza. Quest’ultimo aspetto avvia
all’introduzione del campo magnetico come ente che caratterizza la capacità del magnete di
modificare le proprietà dello spazio. Il campo viene rappresentato attraverso le linee di campo
costruite utilizzando aghetti magnetici, limatura di ferro, singole bussole (Esp. 1. 1b – Fig.3). Tale
rappresentazione iconica comincia ad acquisire significato formalizzato quando si riconosce che la
diversa densità superficiale di linee può essere correlata all’intensità del campo.
Fig.2 Esplorazione dell’interazione di un magnete con oggetti diversi e loro classificazione in base
al diverso comportamento (Esp1.1a) [immagini da referenze 1 e 2]
Page 3 of 14
Printed 2010-10-03
Fig.3 Esplorazione delle linee di campo magnetico con: a) un insieme di bussole, b) una singola
bussola spostata su un piano d’appoggio su cui si disegnano le linee stesse, c) la limatura di ferro,
una matrice di aghetti magnetici (Esp1.1b) [immagini da referenze 1 e 2]
A2 – L’esplorazione delle interazioni magnetiche viene ripresa analizzando il caso in cui ad
interagire siano dei magneti Si considera il caso dell’interazione tra anelli magnetici flottanti,
prima vincolati su un’asta di legno verticale (Esp. 1.2 – Fig.4). e poi liberi di ruotare. Con
progressivi piani di esplorazione si seguono i seguenti passi: riconoscimento della natura dipolare
delle sorgenti del campo magnetico, costruzione della relazione forza-distanza tra i poli magnetici
(Esp. 1.3a), ruolo delle coppie di forze nell’interazione (Esp. 1.3b). (Fig. 4).
Fig. 4 Interazione fra magneti: anelli magneti flottanti su supporto verticale (Esp. 1.2); magneti
inseriti in un tubo di plexiglas (Esp.1.3a); magneti galleggianti non vincolati (Esp.1.3b).
[immagini al centro e a destra da referenza 2]
A3 – L’analisi di diverse situazioni in cui magneti vincolati di diversa forma fluttuano uno
sull’altro (gli anelli magnetici guidati dall’asta di legno; magneti a forma di cilindro inseriti in
Page 4 of 14
Printed 2010-10-03
tubicini di plastica), suggerisce l’idea di estendere l’esplorazione dell’interazione tra magneti
utilizzando come guida un tubo di rame. In condizioni statiche non si osservano differenze, mentre
in condizioni dinamiche, si riconoscono immediatamente delle differenze, così ad esempio: un
magnete in caduta libera, o che cade dentro al tubo di plastica o che scivola su un piano di plastica
o di legno scende di moto accelerato; un magnete che cade dentro tubo di rame, oppure che
scivola lungo un piano metallico inclinato, a) si muove molto lentamente, b) impiega molto più
tempo a scendere dello stesso livello, c) si muove a velocità praticamente costante. Il
riconoscimento del ruolo giocato dalle f.e.m. e quindi dalle correnti indotte nel tubo-guida di rame
avvia all’interpretazione del fenomeno. Il campo prodotto da tali correnti indotte, nel caso
specifico, ha verso opposto al campo inducente e quindi è il responsabile dell’evidente
rallentamento del magnete in caduta. L’esperimento (Fig. 5), prima eseguito con un tubo intero
(Esp. 1.4a) e quindi con un tubo che presenta dei tagli longitudinali (Esp. 1.4b), si presta sia a una
semplice discussione qualitativa, dati i comportamenti del magnete in caduta manifestamente
differenti a seconda del materiale di cui è fatta la guida, sia ad una analisi quantitativa condotta
con apparato tradizionale.
Fig. 5. Il magnete che cade dentro al tubo di rame (Esp. 5)
A4 – I fenomeni di induzione elettromagnetica e di sospensione magnetica vengono riconsiderati
andando a studiare l’esperimento dell’anello di Thomson, che viene proposto per far riconoscere
l’influenza di T su ρ (Esp. 1.5). L’esperimento ripetuto con anelli di materiali diversi permette di
riconoscere che vi è un analogo comportamento dovuto al forte campo prodotto dalle correnti
indotte, che sono tanto più intense quanto minore è la temperatura dell’anello. Si riconosce allora
la evidente diminuzione della resistività con la diminuzione della temperatura del materiale di cui
è composto l’anello. L’esperimento è qualitativamente evidente, e indirizza sia a una sua
descrizione qualitativa, sia a un’analisi attraverso modelli formali di complessità crescente.
Fig.5 L’esperimento dell’anello di Thompson (l’anello che salta) (Esp. 5)
Page 5 of 14
Printed 2010-10-03
A5 – Il comportamento dell’anello di Thomson, fortemente influenzato dalla notevole variazione
di temperatura, costituisce una premessa all’esplorazione del comportamento di un magnete posto
sopra a un superconduttore (Esp. 1.6).
Fig. 6 Magneti che levitano sopra a un superconduttore (di II specie) e interpretazione del
fenomeno in termini di effetto Meissner (Esp.1.6) [immagini da SC2-CD]
La evidente levitazione del magnete viene confrontata con le analoghe situazioni esplorate in
precedenza: l’esperimento dei magneti flottanti fa riconoscere che il magnete deve essere soggetto
a un campo di verso opposto; l’esperimento della caduta del magnete nel tubo di rame, accostato
alla stabilità della situazione osservata, indica che l’effetto tende ad autoregolarsi ossia è prodotto
da un campo prodotto per induzione elettromagnetica; il fatto che il magnete leviti e non cada,
come nel caso del magnete dentro al tubo di rame, fa riconosce che il campo indotto deve essere
uguale al campo inducente, ossia che il superconduttore si comporta come un diamagnete perfetto
(effetto Meissner); dato che l’effetto di induzione prodotto dalla presenza del magnete non cessa
quando il magnete è fermo (come accadrebbe con un conduttore ordinario), nel superconduttore
non devono essere presenti effetti dissipativi, ossia ρ∼0.
A6 – L’esplorazione sperimentale dell’effetto Meissner fornisce lo spunto per una panoramica dei
principali eventi che hanno portato alla scoperta della superconduttività, caratterizzando la
fenomenologia dei superconduttori di I e II tipo, descrivendo il comportamento anomalo delle tre
grandezze che presentano valori critici nei superconduttori: campo magnetico, corrente,
temperatura.
A7 – Una breve panoramica delle applicazioni tecnologiche dei superconduttori offre
l’opportunità di agganci interdisciplinati di diverso tipo, data la rilevanza dell’uso dei
superconduttori nel campo della elettronica e sensorica (crioelettronica e sensori a
superconduttori), diagnostica medica (MNR), nelle ricerche in fisica di punta (magneti a
superconduttori).
Page 6 of 14
Printed 2010-10-03
Fig.7 Esempi di applicazioni della superconduttività: a) treni a levitazione magnetica (Maglev); b)
immagine ottenuta con risonanza magnetica nucleare; supermagnete a superconduttore.
[Immagini da ref. 4]
A8 – Le esplorazioni fatte nei segmenti A6 e A7 motivano a discutere gli elementi base della
teoria di Bardeen-Cooper-Scrieffer (teoria BCS), l’unica in grado di rendere conto dei
superconduttori del I tipo. Di tale teoria si discutono il ruolo giocato dal reticolo nel produrre
effetti netti attrattivi (locali) tra coppie di elettroni, ossia nella formazione delle coppie di Cooper e
l’effetto di condensazione di tali coppie, non soggette al principio di esclusione, a cui invece sono
soggetti i singoli elettroni.
Commenti. Il percorso si inserisce in modo naturale nei normali curricola seguiti ordinariamente
nelle ultime classi dei liceo scientifici e tecnologici. Comporta minime conoscenze iniziali, in
quanto propone un approccio fenomenologico alle proprietà (ferro)magnetiche dei materiali, al
concetto di campo magnetico e alla sua rappresentazione tramite linee di campo. Per questo
motivo, tale approccio è adeguato: sia per introdurre il magnetismo in una classe che non lo ha
mai affrontato in precedenza; sia come attività da proporre a studenti che hanno già affrontato il
tema, per creare una preliminare condivisione su fenomeni e concetti che la letteratura ha
riconosciuto costituire difficoltà per l’apprendimento, come: le proprietà magnetiche, che vengono
evidenziate da pochi metalli ferromagnetici come il ferro, il nichel e le rispettive leghe; la diversa
natura tra interazioni magnetostatiche e elettrostatiche; la bipolarità delle sorgenti magnetiche, il
campo magnetico come organizzatore cognitivo della fenomenologia, la sua rappresentazione
formalizzata tramite le linee di campo come strumento formale utile per costruire modelli
interpretativi.
La limitata estensione temporale delle attività previste nel percorso e il modesto impiego di
formalismo costituiscono elementi che facilitano e favoriscono l’adattabilità del percorso a
contesti e livelli diversi, ma sono anche alla base degli sue maggiori criticità. Restano irrisolti i
passaggi: dalla fenomenologia dei magneti a quella degli effetti magnetici della corrente, ossia dal
campo magnetico prodotto da magneti permanenti al campo magnetico prodotto da correnti; dalla
fenomenologia della magnetostatica alla fenomenologia dell’induzione elettromagnetica, ossia
dalla descrizione dei campi stazionari a quelli variabili nel tempo. La scelta, funzionale
all’obiettivo di raggiungere in breve una comprensione, anche se solo fenomenologica, della
superconduttività, ha indirizzato alla costruzione di elementi interpretativi attraverso
l’esplorazione di processi diversi che si realizzano in situazioni geometricamente analoghe, ossia
processi di interazione in sistemi disposti verticalmente: i magneti vincolati con aste e tubi
inclinati o verticali; il magnete che cade nel tubo di rame; l’anello scagliato verso l’alto
nell’esperimento di Thomson; il magnete che levita su un superconduttore). La similitudine delle
situazioni funge da ancora cognitiva per attivare ragionamento analogico, il riconoscimento delle
diversità nei processi osservati attiva la ricerca di nuovi modelli interpretativi. L’esito della
sperimentazione, che ha permesso di documentare apprezzabile comprensione da parte degli
studenti sui nodi esplorati, indica l’efficacia della strategia usata, la mancanza di una sistematica
Page 7 of 14
Printed 2010-10-03
analisi degli apprendimenti degli studenti, indirizza a ritenere che il percorso qui presentato debba
essere meglio strutturato nei due passaggi indicati.
Percorso B - Il riconoscimento della superconduttività a partire dall’esplorazione della
resistività
Il percorso proposto dal docente in servizio W. Manzon intitolato “La via maestra alle proprietà
del superconduttore ovvero il percorso della resistività”, è stato sperimentato in una classe 5 del
Liceo Scientifico Statale “M. Grigoletti” di Pordenone. È un esempio di validazione dei materiali
di SC2, seguendo un approccio alle proprietà di conduzione elettrica dei superconduttori, che
integra l'uso delle simulazioni del supporto multimediale CD-SC2 con attività sperimentali,
utilizzando lezioni dialogate e esperimenti mostrativi. Esso si sviluppa nei passi B1-B5 di seguito
discussi, dove in parentesi si segnalano gli esperimenti proposti e realizzati con gli studenti.
B1 - L’esplorazione sperimentale della caratteristica tensione corrente I-V per elementi lineari,
(Esp. 2.1a), consente di riconoscere e costruire le leggi di Ohm analizzandone il ruolo nella
descrizione di semplici circuiti resistivi, ossia nella previsione dell’andamento delle correnti
misurate (Esp. 2.1b). Il riconoscimento del ruolo di lunghezza e sezione di un fili conduttori nel
determinarne la resistenza, consente di riconoscere la legge di Ohm generalizzata e la resistività ρ
come proprietà elettrica dei materiali (Esp. 2.1c).
Fig. 8 Riconoscimento sperimentale della legge di Ohm (Esp.2.1) (Immagine da ref.3)
B2 - Lo studio sperimentale di come varia ρ con T (Esp. 2.2), porta alla identificazione del loro
legame per temperature prossime a quella ambiente. Il riconoscimento di tale legame offre
l’opportunità, di discutere il modello microscopico del gas di Fermi per descrivere la conduzione
nei metalli.
Fig. 9. Misura della resistività in funzione della temperatura (Esp. 2.2)
Page 8 of 14
Printed 2010-10-03
B3 - L’estrapolazione del grafico ρ=ρ(T) a temperature inferiori a 0°C, pone il problema di
studiare l’andamento di ρ(T) anche in prossimità di 0 K. Il valore costante per conduttori ordinari,
contrasta nettamene con quanto si ottiene con i superconduttori. La focalizzazione sperimentale
sulla zona critica, raggiunta con superconduttori di II tipo con azoto liquido, permette di
ricostruire la brusca transizione di fase del superconduttore, responsabile della caduta di resistività
(Esp. 2.3).
Fig. 9 Analisi della resistività in funzione della temperatura in prossimità della temperatura di
transizione di fase. (Esp.2.3)
B4 - Il riconoscimento che il processo avviene repentinamente per una piccolissima variazione di
temperatura evidenzia la natura di transizione di fase del processo, ossia l’esistenza di un brusco
cambiamento delle proprietà di conduzione del materiale. Si motiva quindi alla ricerca di un
modello che interpreti tale transizione, ossia alla discussione del modello BCS per i
superconduttori di I specie.
B5 - Una simulazione consente di rianalizzare i circuiti elettrici già esplorati sperimentalmente nel
passo 1), in cui, però, al posto di un ordinario elemento resistivo si inserisce un elemento
superconduttore (virtuale) (Esp 2.4.). La simulazione, necessaria per la difficoltà di disporre di
“resistori” superconduttori reali, utilizza quale input la curva analogica ottenuta sperimentalmente.
Consente di: a) riprodurre quantitativamente le condizioni sperimentali, assegnando i valori delle
resistenze utilizzate in laboratorio; b) seguire punto per punto lo sviluppo della curva della
resistività fino alla brusca caduta a T=Tc, per riconosce il cambiamento qualitativo e quantitativo
del comportamento del circuito; c) analizzare la ridistribuzione delle cadute di tensione ai capi dei
diversi elementi circuitali, per riconoscere ruolo e funzione degli elementi superconduttori e gli
effetti superconduttivi.
Commento. Il percorso qui presentato risulta molto compatto in quanto prevede l’esplorazione
soltanto di fenomeni di conduzione elettrica in sistemi diversi. È particolarmente indicato per
essere agganciato ai moduli che normalmente vengono proposti in scuole di diverso ordine per lo
studio della conduzione elettrica. L’approccio prettamente fenomenologico-sperimentale offre
l’opportunità di trattazioni a diversi livelli di formalizzazione in modo da poter essere proposto sia
in classi di biennio di istituti tecnici, sia in classi di triennio di liceo. La necessità di dover adottare
apparati che impiegano elementi high tech, soprattutto per evidenziare il break-down della
resistività nei superconduttori, lo rende particolarmente adatto per gli indirizzi di studi di tipo
tecnologico. L’analisi del comportamento di elementi superconduttori, per quanto realizzata solo
in ambiente di simulazione, favorisce il riconoscimento delle proprietà di supercondizione in
contesto.
Page 9 of 14
Printed 2010-10-03
L’elemento di maggiore criticità, anche qui legato principalmente alla scelta di ridurre al massimo
i tempi e quindi facilmente superabile, è costituito dalla mancanza della trattazione delle proprietà
dei superconduttori. È ben noto infatti che la natura di conduttore ideale (ρ=0) non implica quella
di superconduttore, che è invece peculiarmente legata all’effetto Meissner, ossia è il fatto che B=0
all’interno di un superconduttore che implica ρ=0 e non il viceversa.
Percorso C – Dalle proprietà elettriche, alle proprietà magnetiche per riconoscere la
superconduttività. Le trasformazioni di energia nei processi
Il progetto didattico qui presentato è stato proposto dalla docente in servizio V. Capocchiani. È
stato sperimentato insieme al collega R. Sangoi in due classi II (15-16 age) di Liceo Scientifico
(Marinelli di Udine) per un totale di 32 ore più della metà delle quali dedicate ad attività
sperimentali. Ha carattere di sperimentazione di ricerca, basata su un approccio preminentemente
sperimentale, integrato con i moduli di CD-SC2, in cui si dà sempre ruolo attivo agli studenti. La
proposta si differenzia dalle precedenti perché: a) parte dalla conduzione elettrica, analizza quindi
gli effetti magnetici delle correnti e il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, introduce la
superconduttività a partire dal riconoscimento delle proprietà magnetiche dei superconduttori; b)
trae spunto dallo studio delle trasformazioni energetiche, in quanto è stato inserito nel contesto di
un modulo sulle trasformazioni di energia meccanica, tipicamente considerate nelle classi II dei
curricola seguiti dagli insegnanti sperimentatori. Vengono qui presentati i 5 passi principali (C1C5) del percorso.
C1 - Nel contesto delle trasformazioni di energia meccanica in altre forme, si analizzano in
particolare quelle che riguardano l’energia elettrica. Si riconosce che vi sono diversi modi per
produrre energia elettrica, sia dinamicamente sia staticamente (Esp. 3.1). Si avvia quindi al
confronto sperimentale del campo elettrostatico e del campo magnetostatico (Esp. 3.2).
L’esplorazione sperimentale di circuiti in corrente continua, con strumenti tradizionali e sensori
on-line (Esp. 3.3a-Fig.8), si integra con la discussione del modulo 4 di CD-SC2. Si descrive la
fenomenologia attraverso la legge di Ohm e la legge di Ohm generalizzata, riconoscendone i
limiti dall’analisi della caratteristica tensione-corrente, non–lineare, per una lampadina da
bicicletta (Esp. 3.3b- Fig.10). La pendenza non constante della curva caratteristica permette di
riconoscere i diversi regimi presenti, che vengono analizzati alla luce dei processi energetici
coinvolti (effetto Joule, emissione di luce – Esp. 3.4).(Fig.10).
Page 10 of 14
Printed 2010-10-03
Fig. 10 Caratteristica tensione-corrente V-I per una lampadina da bicicletta misurata con un
sistema di acquisizione dati on-line (Esp. 3.3 e Esp.3.4)
C2 - L’analisi del comportamento magnetico di correnti in fili conduttori viene: introdotta con
esperimenti qualitativi (esp.3. 5), integrata con l’esplorazione del modulo 1 di CD-SC2, affiancato
da una fase di formalizzazione. I campi B generati da magneti vengono visualizzati costruendo le
linee di campo con limatura di ferro e aghi magnetici (Esp. 3.6). Si riconosce l’effetto magnetico
della corrente, con l’esperimento di Oersted (Esp. 3.7-Fig. 11), formalizzandolo con la legge di
Biot-Savart per un filo rettilineo.
Fig. 11 Riconoscimento dell’effetto magnetico della corrente (Esp.3.7) (Immagini da ref 1.)
Si ampliano formalizzazione e descrizione dei campi magnetici prodotti da corrente con
l’esplorazione sperimentale e simulata degli esperimenti di Ampère (Esp. 3.8- interazione tra fili
rettilinei percorsi da corrente) e di Pohl (Esp.3.9 – Fig.12).
-
N
+
4,5 V
S
Fi. 12. Schema dell’apparato per l’esperimento di Pohl (Esp.3.9)
C3 - Si completa la descrizione degli effetti magnetici delle correnti analizzando i campi prodotti
da bobine e magneti, anche con nuclei ferromagnetici, prima esplorati sperimentalmente in
laboratorio (Esp. 3.10 e 3.11-Fig.13), poi riconsiderati utilizzando le simulazioni del modulo 2 di
CD-SC2.
Page 11 of 14
Printed 2010-10-03
Fig. 13 Esplorazione del campo magnetico generato da un solenoide (Esp. 3.11) (Immag. da ref. 1)
C4 - Con un’esplorazione qualitativa, effettuata a gruppi, si propone agli studenti di scoprire tutti
i modi in cui si possono produrre fem indotte (Esp. 3.12-Fig.12). Il confronto tra le ipotesi degli
studenti, le situazioni sperimentali proposte e le simulazioni di CD-SC2, porta a impadronirsi delle
modalità con cui si può prevedere direzione e verso del campo generato da geometrie diverse di
correnti. Si familiarizza con il concetto di flusso, utilizzato come utile strumento per riconoscere i
diversi modi con cui si generano correnti indotte.
Fig. 14 Diversi modi per produrre correnti indotte (Esp.3.12)
Come occasione per rinforzare i concetti di induzione e correnti concatenate si analizza il
funzionamento del trasformatore (Esp. 3.13-Fig.15) e il principio di funzionamento di alternatori e
dinamo (Esp. 3.14). Il piano interpretativo è completato con l’analisi energetica dei processi
coinvolti.
Fig. 15 Semplici trasformatori (Esp. 3.13)
C5 – Il quinto modulo, centrato sulla introduzione alla superconduttività, si avvia con una
esplorazione per gruppi dell’interazione tra magneti impilati (Esp. 3.15-Fig.3) e quindi con
esperimenti dimostrativi sulla levitazione di un magnete su un superconduttore (Esp. 3.16-Fig.6).
Con la stessa strategia adottata nella trattazione dei punti precedenti anche in questo modulo si
integra l’esplorazione sperimentale con l’interpretazione della superconduttività, in particolare
discutendo come si formano e come si comportano le coppie di Cooper. Una breve discussione
delle applicazioni della superconduzione completa il percorso.
Page 12 of 14
Printed 2010-10-03
Commento. Il percorso si muove a cavallo delle tematiche proposte nei primi due, proponendo
l’analisi proprio dei nodi sull’elettromagnetismo lasciati aperti da essi. Dato il contesto in cui è
stato proposto (classi di seconda liceo scientifico) prevede un’ampia esplorazione
fenomenologica, mentre volutamente non approfondisce gli aspetti formali e affronta, solo come
elemento conclusivo, la superconduttività. Insieme hai precedenti percorsi permette quindi di
costruire un quadro organico e completo delle premesse fenomenologiche e concettuali che
consentono di affrontare la superconduttività. Presenta gli specifici valori aggiunti di integrarsi
con un tipico percorso da biennio di classe PNI-sperimentale (PNI) e di affrontare in modo
coerente i nodi: della distinzione tra campo magnetico e campo elettrico; del passaggio dal
magnetismo prodotto da magneti a quello prodotto da correnti; della induzione elettromagnetica.
Risulta critico il passaggio all’analisi della superconduttività.
Il percorso, come accennato, nasce dalla bella intuizione di caratterizzarlo nel contesto delle
trasformazioni energetiche. Tale idea, che è stata sfruttata dai docenti sperimentatori, solo per
creare continuità tra il corso sull’energia meccanica e il modulo finalizzato all’introduzione della
superconduttività, può essere in realtà ulteriormente sviluppata costruendo un percorso tutto
basato sull’analisi energetica dei processi. Una impostazione basata su tale analisi consente per
altro di dare una descrizione del modello BCS più adeguata rispetto a quella meccanicistica
(basata sui concetti di interazione e forza) che è stata adottata in CD-SC2 e nelle sperimentazioni
condotte per la sua validazione.
Percorso D - Approccio alla superconduttività esplorando le sue principali applicazioni
Il quarto esempio di percorso che si propone è quello progettato dalla tirocinante M. Gnech, della
SSIS di Bolzano con l’obiettivo di destinarlo a studenti di 5 Liceo Scientifico. Si tratta quindi di
una progettazione realizzata da una docente in formazione, con la supervisione di un ricercatore
dell’URDF. Propone un approccio alla superconduttività basato sulla discussione delle sue
applicazioni tecnologiche, integrando attività sperimentali, uso di filmati e simulazioni, con
alternanza di fasi condotte a gruppi di studenti, in cui è previsto l’uso di schede di lavoro e in cui è
previsto un ruolo attivo degli studenti, e attività frontali, che prevedono comunque il
coinvolgimento attiva degli studenti. Di seguito si presenta la traccia del percorso didattico
suddiviso in sei moduli (D1-D6).
D1 - Una fase preliminare mira a recuperare le conoscenze sulla conduzione elettrica. Si rivisitano
sperimentalmente semplici circuiti con elementi lineari per ricostruire la legge di Ohm (Esp. 4.0a)
e si esplora sperimentalmente la dipendenza della resistività dalla temperatura (Esp.4.0b). (Fig.8).
D2 - Si introduce il tema della superconduttività con l’osservazione di filmati su Maglev (Fig.16),
MNR,cuscinetti magnetici, supercomputer (fig. 17). L’osservazione di tali filmati stimola a
chiedersi quali fenomeni e processi siano alla loro base. Per dare risposta a questa domanda, si
propone l’esperimento sulla levitazione magnetica (Esp.4.1a), che permette di riconoscere l’effetto
Meissner, ossia il comportamento di diamagnete perfetto di un superconduttore (fig.6).
Fig. 16 Treni Maglev (treni a levitazione magnetica) (Immagini. Da ref. 4)
Page 13 of 14
Printed 2010-10-03
Fig. 17 Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) utilizzato in MNR; Apparato MNR; Ruota
applicante dei cuscinetti magnetici (Immagini. Da ref. 4)
D3 - Tale effetto viene utilizzato per una esplorazione sperimentale del comportamento del
superconduttore al variare della temperatura. Si riconosce e si misura Tc a cui avviene la
transizione alla fase superconduttiva, ossi in cui si manifesta l’effetto Meissner (Esp.4.1b- Fig.9).
Tale effetto viene descritto introducendo il coefficiente di penetrazione del campo magnetico, che
caratterizza il decremento esponenziale del campo magnetico a partire dalla superficie del
superconduttore.
D4 - Il comportamento straordinario del superconduttore per temperature inferiori a Tc porta ad
esplorare anche altre sue proprietà a cominciare da quelle di conduzione elettrica. Un semplice
circuito elettrico che usa un interruttore superconduttore è il contesto in cui riconoscere che anche
la resistenza elettrica (ossia la resistività) di un elemento di circuito superconduttore subisce una
brusca variazione in prossimità di Tc (Esp. 4.2). Si esplora quindi sperimentalmente la relazione
tra resistenza e temperatura per un superconduttore nell’intorno di Tc (Esp. 4.3). Questa attività
offre anche l’occasione per discutere l’esistenza di un campo critico, oltre il quale, anche al di
sotto della temperatura critica, un superconduttore ritorna allo stato di conduttore ordinario.
D5 - Con l’utilizzo di un oscilloscopio o di sensori di tensione collegati in linea con l’elaboratore
si può rilevare la differenza di potenziale ai capi di vari elementi di semplici circuiti assemblati
con almeno un elemento superconduttore (Esp. 4-interruttore superconduttore). La misura della
corrente nei diversi rami di questi semplici circuiti, e in particolare nel ramo in cui è presente
l’elemento superconduttore, consente la determinazione della corrente critica, oltre la quale il
superconduttore ritorna nello stato di conduttore ordinario (Esp. 4.5). (Fig.18).
D6 - Un semplice apparato che consiste in una modifica di quello dell’Esp. 4.1, permette di
simulare un Maglev, rendendo conto del suo funzionamento a uso commerciale (Esp. 4.6-fig.19).
OSCILLOSCOPIO
S
U
P
E
R
C
O
N
D
U
T
T
O
R
E
Fig18. Schemi di circuito con inserito un elemento superconduttore (esp. 4.5) (Immag. Da ref. 4)
Commento. Il percorso qui presentato costituisce una proposta di integrazione tra scienza e
tecnologia che risulta particolarmente adatto per essere adottato in un istituto tecnico, ma può
essere impiegato anche in un liceo scientifico, come del resto nell’intento della tirocinante che lo
Page 14 of 14
Printed 2010-10-03
ha progettato. Propone una esplorazione contestualizzata delle proprietà dei superconduttori, con
maggiore enfasi e ampiezza di quanto era stato proposto nell’ultimo segmento del percorso B, in
cui hanno un ruolo rilevante attività sperimentali, che possono essere effettivamente realizzate,
con attrezzature che possono essere acquisite da laboratori didattici. Il principale elemento di
criticità riguarda la parte interpretativa della superconduttività, che da un lato ha minore rilevanza
rispetto a quella data agli aspetti applicativi, e dall’altro non viene costruita attraverso
l’esplorazione delle applicazioni, ma viene utilizzata per rendere conto del loro funzionamento.
Fig19. Esempio di motore lineare e modello che simula il funzionamento del MagLev
(Immagini. da ref. 4)
Referenze bibliografiche da cui sono tratte le figure.
1)
Fig. Michelini M, Stefanel A., 2004, Esplorare con gli oggetti di ogni giorno i fenomeni
elettromagnetici, Università di Udine, Udine.
2)
Fedele B., Michelini M., Stefanel A. (2006) Fenomeni magnetici ed elettromagnetici,
Catalogo di esperimenti, Udine, Forum. ISBN 88 8420 362 7
3)
Report della Sperimentazione Drago-supercoment, A. Giannino
4)
Relazione finale del percorso SSIS da titolo superconduttività: Dalla teoria alla
tecnologia, Gnec M.