MOSEM Project LLP-LdV-TOI-2007-NO/165.009

UNIVERSITÀ DI UDINE Unità di Ricerca in Didattica della fisica Percorsi didattici realizzati nella sperimentazione SC2 coordinata da Udine

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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

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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]

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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

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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)

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a all’esplorazione del comportamento di un magnete posto pra a un superconduttore (Esp. 1.6).

Fig. 6 M del fenomeno in termini di effetto Meissner (Esp.1.6) [immagini da SC2-CD]

onduttore ordinario), nel superconduttore on devono essere presenti effetti dissipativi, ossia ρ∼0.

e presentano valori critici nei superconduttori: campo magnetico, corrente, mperatura.

diagnostica medica (MNR), nelle ricerche in fisica di punta (magneti a perconduttori).

A5 – Il comportamento dell’anello di Thomson, fortemente influenzato dalla notevole variazione di temperatura, costituisce una premessso

agneti che levitano sopra a un superconduttore (di II specie) e interpretazione

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 cn 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 chte 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), su

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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

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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)

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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.

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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 (C1-C5) 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).

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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).

Fi. 12. Schema dell’apparato per l’esperimento di Pohl (Esp.3.9)

N - + 4,5 V

S

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.

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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.

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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)

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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

SUPERCONDUTTORE

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

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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.