SUPERCOMET e MOSEM - Uniud€¦ · La Fisica della superconduttività Informazioni sul Background...

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SUPERCOMET e MOSEM Materiali Didattici Multimediali sulla Superconduttività

Introduzione Insegnare con SUPERCOMET2 Uso delle TIC nell’insegnamento delle scienze

I moduli Prerequisiti, Obiettivi, Test sulle conoscenze

Esperimenti Low-tech, High-tech, seminario per gli insegnanti

Esempi di attività Preposte di lezioni

Valutazione Recensioni, commenti degli insegnanti, commenti degli studenti

La Fisica della superconduttività Informazioni sul Background

Ulteriori risorse Testi, Weblinks

Le TIC nell’insegnamento delle scienze Modi di utilizzare le TIC in classe

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Informazioni su SUPERCOMET2 Il CD SUPERCOMET2 è stato sviluppato all’interno dei Progetti SUPERCOMET (N/01/B/PP/131.014) e SUPERCOMET 2 (N/04/B/PP/165.008) con il supporto economico del Programma Leonardo da Vinci Fase II Dell’Unione Europea.

Obiettivi del Progetto SUPERCOMET2 Il Progetto SUPERCOMET 2 ha l’obiettivo di:

• Espandere una partnership internazinale per la rivitalizzazione dell’insegnamento della fisica in Europa.

• Stabilire stretti legami con le esistenti organizzazioni per gli insegnanti di fisica, ricercatori in didattica della fisica, esperti in curriculum e plitici.

• Sviluppare un set di concetti per prodotti di didattica della fisica, da utilizzare subito, contemporaneamente mirati all’ampliamento sia della disciplina che del suo ruolo.

© 2007 Simplicatus AS P.O. Box 27, NO-2006 Løvenstad, Norway Editors Vegard Engstrøm, Heimo Latal, Leopold Mathelitsch, Gerhard Rath Publisher Simplicatus AS Authors Francesca Bradamante, Michela Braida, Aileen Earle, Vegard Engstrøm, Barbara Fedele, Jenny Frost, Gren Ireson, Heimo Latal, Harvey Mellar, Marisa Michelini, Wim Peeters, Alberto Stefanel Illustrations Visualize DA Photographs University of Lille, University of Torun, University of Graz, Loughborough University

BRG Kepler Keplerstrasse 1, Graz, Austria Karl-Franzens-Universitaet, Graz, Austria

Sint-Gabriëlcollege, Boechout, Belgium University of Antwerp, Belgium

Geo Milev English Language School, Rousse, Bulgaria University of Rousse, Bulgaria

Maticni Gymnazium, Ostrava, Czech Republic University of Ostrava, Czech Republic

Gymnasium Koenigin-Olga-Stift, Stuttgart, Germany University of Ludwigsburg, Germany Werner-von-Siemens-Gymnasium, Munich, Germany Feodor-Lynen-Gymnasium, Planegg, Germany Erasmus-Grasser-Gymnasium, Munich, Germany University of Munich, Germany

IES Juan de la Cierva y Codorniu, Totana, Spain Universidad de Murcia, Spain

Université des Sciences et Technologies de Lille, France

Liceo Scientifico Statale "M. Grigoletti", Pordenone, Italy Istituto Tecnico Industriale "Arturo Malignani", Udine, Italy Istituto Statale Di Istruzione Superiore "R. D'Aronco", Gemona, Italy Liceo Scientifico Statale "Giovanni Marinelli", Udine, Italy University of Udine, Italy

Central Gymnasium of Daugavpils, Latvia Livani Secondary School No 2, Livani, Latvia University of Daugavpils, Latvia

Bonhoeffer College, Castricum, The Netherlands AMSTEL Institute, Amsterdam, The Netherlands

Trondheim Katedralskole, Trondheim, Norway

I Liceum Ogolnoksztalcace, Slupsk, Poland Pomorska Akademia Pedagogiczna, Slupsk, Poland

Escola Secundaria Monte de Caparica, Portugal Universidade Nova de Lisboa, Portugal

Aurel Vlaicu Upper Secondary School, Arad, Romania Colegiul Tehnic "Transilvania", Deva, Romania Electrotimis High School, Timisoara, Romania Technical College of Construction and Environmental, Arad, Romania

School Moor Lane, Nottingham, United Kingdom Loughborough University, Leicestershire, United Kingdom Institute of Education, University of London, United Kingdom

In memory of Guntis Liberts (Latvia) June 30th, 2007

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Sommario Introduzione .................................................................................................................................. 4

Obiettivi del CD SUPERCOMET2 CD e della Guida per l’Insegnante ...................................... 4 SUPERCOMET2 – l’applicazione ............................................................................................ 5 Insegnare con SUPERCOMET2 .............................................................................................. 8

Le TIC nell’insegnamento delle scienze ................................................................................... 12 Principali TIC rilevanti per la fisica a scuola ........................................................................... 13 Perchè usare le TIC nell’Insegnamento della Fisica? ............................................................ 15 Modi di usare le TIC in classe ................................................................................................ 17 Trovare, adattare e condividere materiali per insegnare la superconduttività ........................ 19

La Fisica della Superconduttività .............................................................................................. 20

I Moduli ........................................................................................................................................ 31 Introduzione ................................................................... Errore. Il segnalibro non è definito. Magnetismo ........................................................................................................................... 32 L’induzione elettromagnetica ................................................................................................. 35 La conduzione elettrica .......................................................................................................... 37 Storia della superconduttività ................................................................................................. 39 Introduzione alla superconduttività ........................................................................................ 41 Applicazioni della superconduttività ....................................................................................... 43 Materiali supercnduttori ......................................................................................................... 46 Spiegazione della superconduttività ...................................................................................... 49 Attività con superconduttori ................................................................................................... 50

Esempi di attività ........................................................................................................................ 51 Effetto della temperatura sulla resistenza dei metalli e dei superconduttori ........................... 51 Lezioni proposte sulla superconduttività ................................................................................ 53 SUPERCONDUCTIVITA’ – Schede-stimolo per gli studenti ................................................. 59

Esperimenti – seminar per gli insegnanti .................................................................................. 75 Il seminario per gli insegnanti - introduzione .......................................................................... 75 Insegnare i metodi – l’apprendimento attivo .......................................................................... 76 Lavorare con azoto liquido e magneti .................................................................................... 83 Esperimenti di levitazione ...................................................................................................... 84 Fenomeni magnetici e elettromagnetici hands-on ........... Errore. Il segnalibro non è definito. Come costruirsi il proprio superconduttore ............................................................................ 96 Misurare la temperatura di transizione di un superconduttore ................................................ 98

Valutazione ................................................................................................................................ 105 Informazioni di base ............................................................................................................ 105 Recensione dell’esperto: due studi di caso .......................................................................... 106 I commenti degli insegnanti sui materiali ............................................................................. 107 I commenti degli studenti sui materiali ................................................................................. 109

Altre risorse ............................................................................................................................... 116

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Introduzione

Obiettivi del CD SUPERCOMET2 e della Guida per l’Insegnante SUPERCOMET2 è stato definito una applicazione multimediale che combina grafici, animazioni, testi e navigazione per rendere alcune parti selezionate del curriculum di fisica nelle scuole superiori più affascinanti e accessibili.

Learning Object del CD ROM SUPERCOMET2 Il CD ROM SUPERCOMET2 è inteso come una introduzione alla superconduttività, alle teorie su cui si basa la sua scoperta (incluso il magnetismo e l’induzione e la conduzione elettrica), e la sua storia. Lavorando con i materiali SUPERCOMET2, gli studenti saranno in grado di

1. discutere su come una teoria è legata alla pratica 2. esplorare I possibili usi dei fenomeni 3. esplorare le implicazioni tecnologiche di una nuova scoperta 4. descrivere come gli scienziati prendono e interretao I dati 5. descrivere come scienza e tecnologia usano nuove idee 6. comunicare idée scientifiche a diversi ascoltatori 7. porsi domande sulla fisica e su come essa è legata alla vita quotidiana 8. proporre legami tra campi diversi della fisica

Obiettivi della Guida per l’Insegnante La guida per l’insegnante vuole descrivere il fondamento pedagogico dell’uso di SUPERCOMET2 e proporre modalità efficaci di utilizzo in classe, come parte dell’insenamento di tutti I giorni, da solo o unitamente con dimostrazioni pratiche e strumenti multimediali. Essa dà informazioni sulla fisica della superconduttività e mostra alcune possibilità per la valutazione del lavoro con SUPERCOMET2.

Desinatari I destinatari di SUPERCOMET2 sono gli studenti di scuola superiore.

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SUPERCOMET2 – l’applicazione

SUPERCOMET2 consiste in moduli auto-consistenti e di un set di altri utili strumenti di navigazione, di risorse di insegnameto e di informazione come nella mappa del sito seguente Navigazione

Menu principale Lingue Aiuto Glossario FAQ

Menu principale

Magnetismo Induzione elettromagnetica Conduzione elettrica Introduzione alla uperconduttività Applicazioni della supercoduttività Attività con superconduttori Storia della superconduttività Materiali superconduttori Spiegazionedella superconduttività

Motore di ricerca Animazioni

Risorse di testo Bookmark

Attività Video Foto Referenze Links

Una guida rapida per cominciare 1. Quando cerchi argomenti particolari (per es. resistenza elettrica ), naviga attraverso i contenuti

dei principalimodli della guida per l’insegnante. 2. Vai a pag 49 per vedere se ci sono moduli di insegnamento già pronti che puoi adattare alla

tua. Alternativamente, vai su www.supercomet.eu per navigare tra I materiali messi a disposizione dagli altri insegnanti (intranet simplicatus)

3. Avvia il CD ROM SUPERCOMET2 e familiarizza con la sua struttura di navigazione.

4. Usando il Menu Principale, vai al modulo più appropriato per l’argomento che stai insegnando

e familiarizza con esso.

5. Usa SUPERCOMET2 come suggerito nel piano di insegnamento che hai trovato nella guida ovscrivine uno per tuo conto.

6. Dopo la lezione, valuta come è andata. Puoi condividere il tuo lavoro con altri insegnanti

entrando nell’intranet Simplicatus (http://intranet.simplicatus.no/).

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Come comincio ad usare l’applicazione SUPERCOMET2 ?

Requisiti di sistema Prima di usare l’applicazione al computer SUPERCOMET2, controlla che i tuoi computer e browser abbiano I requisiti minimi (o consigliati) seguenti. PC

• Microsoft Windows 98 SE / Me / 2000 / XP / NT • Processore Pentium 4 - 500 MHz (consigliato Pentium 4 -1 GHz) • 64 MB RAM (consigliati 256 MB RAM) • colori 16-bit consigliati per una visione ottimale • risoluzione 800x600 • 4x CD ROM • Macromedia Flash Player (version 7.x – disponibile gratuitamente su www.flash.com)

Mac

• MacOS 9.x / X 10.1.x / X 10.2.x / X 10.3.x • Power Macintosh (consigliato 1 GHz G4) • 64 MB RAM (consigliato 256 MB RAM) • colouri 16-bit consigliati per una visione ottimale recommended • risoluzione 800x600 • 4x CD ROM • Macromedia Flash Player (version 7.x - disponibile gratuitamente su www.flash.com )

Requisiti del browser MS Internet Explorer 6.0 o superiori

Uso dell’applicazione SUPERCOMET2 Posizionare il disco neldrive per CD ROM. Il disco dovrebbe partire automaticamente. Se non parte, segui le istruzioni sull’etichetta o apri il file “Open.html” nel tuo browser. Se hai problemi nel caricare l’applicazione SUPERCOMET2 , apri il file ‘read-me.txt’ nel CD.

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Come orientarmi in SUPERCOMET2? Puoi seguire I link di navigazione a disposizione (vedi sotto )...

Click qui per andare a: Menu Prncipale, Aiuto, Glossario, FAQ e

per scegliere la Lingua

Questo pulsante permette di segnare una pagina a cui puoi tornare più tardi. Non è possibile segnare più pagine.

Pulsanti di controllo per le animazioni interattive. Puoi usarli per interaire con le simulazioni. Cosa fa ogni pulsante dipende dall’animazione che si sta presentando.

Motore di ricerca

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Insegnare con SUPERCOMET2

Domande frequenti - FAQ - D: La superconduttività non è nel curriculum; perchè insegnarla?

R: La superconduttività può essere usata come un modo accattivante per insegnare ai ragazzi la struttura della material, l’elettricità, il magnetismo e l’induzione elettromagnetica.

D: Insegno a sudenti di età inferiore a 16 anni. Posso usare la superconduttività nelle mie lezioni?

R: Per gli studenti più giovani si possono usare semplici dimostrazioni di superconduttività. D: Non ho tempo per usare l’intero CD ROM. Posso usarlo in un altro modo?

R: Sebbene tu possa lavorare col CD ROM dall’inizio alla fine, è possible usare da sole diverse parti dei contenuti (testo, grafici, animazioni). È disponibile una funzione di ricerca per aiutarti a trovare i materiali che potrebbero essere rilevanti per la tua classe.

D: Quando provo a far girare le animazioni, compare un messaggio di errore che dice

‘Windows non può aprire QUESTO FILE’

R: Le animazioni sono state create in formato Flash. Per farle girare nel tuo browser, hai bisogno di installare il Plug-in Flash. Una copia è disponibile nel CD ROM.

D: Trovo molto utili alcune animazioni del CD ROM. Posso usarle in materiali creati dai miei

studenti o da me, per esempio in pagine web o in presentazioni in PowerPoint?

R: I materiali SUPERCOMET2 sono tutelati da diritti d’autore e possono essere usati solo per l’insegnamento in accordo con la licenza acquistata. Vedi www.supercomet.eu per maggiori informazioni.

D: Perchè usare il CD ROM invece di dimosrazioni dal vivo, cosa piace ai miei studenti?

R: Usalo in modo combinato con le dimostrazioni dal vivo. Gli studenti possono usare il CD ROM per controllare I risultati che hanno ottenuto. In alcuni casi, il CD ROM può essere usato per mostrare cose improponibili in un laboratoro scholastico. Vedi ‘Le animazioni SUPERCOMET2 portano la fisica alla luce e aiutano gli studenti ad imparare’ per maggiori informazioni su come le animazioni possono aiutare gli stadenti ad imparare.

D: Posso sostituire lezioni pratiche di laboratorio con il CD ROM SUPERCOMET2?

R: Non esattamente – la ricerca suggerisce che gli studenti traggono maggior beneficio da dimostrazioni pratiche reali.

D: Ci sono piani di lezione o altri materiali didattici che potrei usare?

R: Sì – questa guida per l’insegnante include un certo numero di utili materiali didattici e proposte per attività di apprendimento. Altre risorse sono disponibili in Internet.

D: Ho sviluppato alcuni materiali sulla superconduttività che vorrei mettere a disposizione. Come potrei fare?

R: il progetto SUPERCOMET2 ha sviluppato una comunità on-line internazionale di insegnanti che usano la superconduttività nel loro insegnamento. Contatta [email protected] per maggiori informazioni.

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La superconduttività può essere usata come un modo esaltante per insegnare alcuni concetti di fisica La superconduttività può essere usata come contesto in cui insegnare • Magnetismo • Induzione e conduzione elettrica • La relazione tra temperatura e resistenza in conduttori metallici • L’effetto della temperatura sui materiali in termini di vibrazioni del reticolo Usando la superconduttività come il contesto per imparare concetti come temperatura e magnetismo, gli studenti possono immediatamente collegare la teoria alla loro vita, rendendo il loro apprendimento più rilevante ed eccitante.

La superconduttività è all’avanguardia • Recentemente nel 2003 il Premio Nobel è stato assegnato a ricercatori in superconduttività • La ricerca in superconduttività è attualmente fatta in molte università, in molte compagnie hi-tech e

istituzioni di ricerca.

La teoria della superconduttività è usata in molte moderne esaltanti applicazioni • Sistemi di Immagine Medica (Magnetic Resonance

Imaging – MRI) • Treni Maglev (a levitazione) • Scudi magnetici • Acceleratori di particelle • Telefonia mobile avanzata • Magnetometri SQUID (rilevatori di campi

magnetici ultra-sensibili) • Cavi per alta trasmissione • Dispositivo di immaganizzamento di energia

Il Premio Nobel in Fisica 2003: "per i contributi pionieristici alla teoria dei superconduttori e dei superfluidi" http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2003/index.html

Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett

2003 Il primo treno Maglev in commercio: Shanghai Transrapid http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Shanghai_Transrapid_002.jpg

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La superconduttività apre la porta su ciò che i fisici attualmente fanno

• centinaia di fisici nel mondo sono oggi impegnati nella ricerca per i superconduttori • un totale di 12 ricercatori nel mondo ricevettero il premio Nobel (nel 1913, 1972, 1973, 1987 e

2003) per lavori relativi ai superconduttori .

Le animazioni di SUPERCOMET2 portano in vita la fisica e aiutano gli allievi ad imparare Il cd di SUPERCOMET2 include un'ampia gamma di materiali testuali, collegamenti, glossari, immagini, filmati di dimostrazioni che insieme contribuiscono a fornire delle risorse eccellenti per l'insegnamento dei superconduttori, la caratteristica più importante di SUPERCOMET2 è il gran numero di animazioni interattive dei processi fisici. Le schermate qui sotto mostrano una piccola selezione delle animazioni interattive che si possono trovare nel cd.

Sezione sagittale di una scansione MRI del cranio umano. http://en.wikipedia.org/wiki/Image:MRI_head_saggital.jpg

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Solenoide superconduttore, parte del detector CMS all’interno dell’ LHC (Large Hadron Collider) al CERN http://en.wikipedia.org/wiki/Image:HCAL_Prepared_for_insertion.jpg

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Schermate delle animazioni interattive del CD-ROM Come le animazioni possono aiutare l'apprendimento

• i laboratori virtuali possono consentire agli allievi l'accesso a numerosi esperimenti che sarebbe altrimenti impossibile da sperimentare in una normale aula, per ragioni di sicurezza, o perchè gli effetti sono troppo veloci, lenti o piccoli.

• interagendo con le animazioni, alterando i fattori ed esaminando gli effetti di questi cambiamenti, gli allievi potranno acquisire esperienze che altrimenti sarebbero negate per le difficoltà dell'esperienza pratica.

• se usati assieme a degli esperimenti nel mondo reale, le animazioni possono aiutare gli allievi a capire la relazione tra i modelli e la realtà, ed arrivare a capire un lavoro scientifico.

• le animazioni aiutano ad imparare la scienza in un modo piacevole • le animazioni si sono dimostrate efficaci nell'illustrare le complesse relazioni funzionali e procedurali

che spesso si incontrano in fisica. • nell'aggiungere un'interpretazione concettuale in quella che è una versione della realtà, le

animazioni aiutano gli allievi a collegare questi concetti con fenomeni della vita reale. • le animazioni forniscono agli allievi immagini fisse e in movimento, che sono fondamentali per capire

e memorizzare concetti scientifici. • le animazioni rimuovono il rumore di fondo che si trova negli esperimenti dal vivo, e permettono agli

allievi di costruire modelli dei fenomeni fisici con più facilità. • le animazioni interattive dei concetti fisici aiutano gli allievi a migliorare i propri modelli sui fenomeni

fisici. • le animazioni consentono agli allievi di essere più attivi nell'apprendimento.

Nota per l’insegnamento

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C'è evidenza che gli allievi possano prendere le simulazioni e le animazioni in modo letterale, e quindi sviluppare una facilità di apprendimento dei complessi fenomeni fisici essi si limitano a rappresentare (vedi, per es, Wellington, 2004). Per questa ragione è importante che le simulazioni siano usate, se possibile, con degli esperimenti reali, e che l'insegnante prenda un ruolo attivo nell'aiutare gli allievi a capire la natura dei modelli ed il loro ruolo nella scienza.

Le TIC nell'insegnamento della scienza

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Come usare la tecnologia per l'informazione e la comunicazione (ICT) nell'insegnamento della scienza

Principali forme di TIC rilevanti per la fisica nella scuola Molte forme di TIC possono essere utili nell'aula di fisica o in laboratorio. Usate in combinazione con l'insegnamento e attivate incentrate sugli allievi, esse hanno la potenzialità di trasformare il processo di apprendimento. La lista qui sotto include alcune delle tecnologie elencate da Osborne e Hennessy (2003). Sistemi di acquisizione dati I sistemi di acquisizione dati, che includono un hardware per il data logging più un software per l’elaborazione e l’interpretazione dei dati, aiutano gli allievi a sentirsi coinvolti e ad interpretare i risultati degli esperimenti pratici e a sviluppare un approccio investigativo alla scienza. Un dispositivo di elaborazione dati deve essere usato come interfaccia del computer. Data loggers come CMA ULAB (www.cma.science.uva.nl), TI CBL2(education.ti.com) o Data Harvest (www.data-harvest.co.uk), acquisiscono e memorizzano misure ripetute da una serie di sensori in un intervallo di tempo per analizzare dati quali luce, temperatura, suono, conduttività, voltaggio e movimento. Ognuno di questi processori di dati possiede il proprio apparato che fornisce grafici per avere una prima, immediata impressione. Una volta archiviati i dati, il processore dati può essere collegato ad un computer per analizzarli con maggior dettaglio.

Data video measurement Data Video permette l'analisi del moto di oggetti reali e di eventi che accadono fuori dall'aula. Il software dell'analisi video consente all'utente di registrare dati da posizioni diverse in formato digitale. Gli eventi possono essere sia ordinari quali il moto di una bicicletta, tiri di calcio, tiri di basket oppure altri meno normali quali incidenti di macchine o viaggi lunari. Le misurazioni video si possono vedere nel formato di videoclips (AVI, MOV o MPG) oppure come immagini singole (BMP, GIF o JPG) Durante le misurazioni video i dati di posizione e tempo possono essere selezionati facendo click e seguendo la traccia di un oggetto mobile come una palla. I punti acquisiti in questo modo possono servire per calcolare la posizione di altri punti come per es il centro di massa. Durante le misurazioni su una singola immagine, dati di posizione, o di posizione e di tempo per immagini stroboscopiche, sono acquisiti clickando sui punti di interesse in una immagine. I dati video/immagine possono essere visualizzati su un diagramma o tabella per ulteriori analisi ed elaborazione Filmati digitali da usare in Data Video possono essere trovati in Internet o creati con una webcam o camera digitale. Un software per l'analisi video, come nel programma Coach 6 (www.cma.science.uva.nl), offre anche la possibilità di catturare e redarre videoclip da sorgenti digitali, come una webcam. Le opzioni presenti includono:

• aggiustamento della brillantezza e del contrasto • rotazioni e capovolgimenti • inserimento di note di testo • correzione delle prospettive

Sistemi d'informazione Questa categoria include internet, cd, enciclopedie elettroniche, ecc.. Fornisce informazioni su come gli allievi possono seguire e programmare l'apprendimento. Ad esempio possono usare il cd SUPERCOMET – su una enciclopedia ondine- per cercare informazioni sui Nobel premiati per le ricerche sulla superconduttività.

Strumenti per il Modelling Un ambiente di modellizzazione è un software che permette agli allievi di creare modelli possibili di fenomeni scientifici e permette la visualizzazione dei problemi scientifici in modo digitale. In questo contesto la carta può essere considerata un mezzo non importante, in confronto al computer che è un mezzo attivo.

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Molti autori considerano la modellizzazione come un aspetto, e a volte l’aspetto, essenziale per l’approccio ai problemi scientifici. Cosi, la modellizzazione nella scienza può essere sia lo scopo che lo strumento. Un ambiente di modellizzazione è usato per creare ed analizzare modelli biologici, chimici, fisici, economici, sociali ed ecologici. Fornisce l'utente di una vasta gamma di possibilità. Ci sono molti modi per costruire e visualizzare i modelli: modo grafico, con equazioni o testo. Il modo grafico è legato a software quali Stella(www.iseessystems.com), PowerSim(www.powersim.com) o Coach 6(www.cma.science.uva.nl), basati sull’approccio stock-flow sviluppato dal Prof Jay W Forrester a MIT nei primi anni sessanta. È una metodologia usata per capire come i sstemi cambiano nel tempo. Tali modelli possono essere di una maggiore complessità e svolgono simultaneamente molti più calcoli di qualunque modello mentale umano. I modi basati su equazioni e testi offrono una rappresentazione testuale della matematica che c'è dietro ai modelli. I modelli di equazioni differenziali possono essere risolti da molti metodi di iterazione numerica quali Eulero o Runge-Kutta. Anche programmi quali Excel si possono usare per creare modelli. Rendere gli studenti in grado di costruire e verificare il loro modello può essere uno strumento potente di apprendimento. Software multimediali Software multimediali quali SUPERCOMET di solito includono testi, clips video e audio, spiegazioni a voce, grafici e animazioni, tutorial, attività interattive, presentazioni e glossari. Particolarmente utili in fisica sono i laboratori virtuali, che permettono agli allievi di condurre esperimenti virtuali non possibili in classe. Consente anche di confrontare i dati ottenuti con esperimenti reali con quelli ottenuti dal modello. I software multimediali possono essere usati per dimostrare i fenomeni (per es la levitazione di magneti su superconduttori freddi) e/o per simulare dei processi in "esperimenti virtuali" (per es la relazione tra la velocità di un filo di rame in un campo elettrico e la conseguente differenza di potenziale). Strumenti di pubblicazione e presentazione Internet/Intranet Gli allievi possono usare processori word o pacchetti di presentazione multimediale(come Dazzler che si trova all’indirizzo www.dazzlersoft.com) per preparare i propri resoconti sui fenomeni fisici studiati utilizzando esperimenti reali o virtuali e mostrarli ad altri. Possono far parte di un portfolio di lavoro. I resoconti possono essere sviluppati anche usando l'editor html come Dreamweaver(www.macromedia.com) e pubblicati nella rete interna alla scuola(intranet) o anche in internet. Esistono molti siti che ospitano pagine web senza costo quali www.geocities.com o www.webspawner.com. Strumentazione per registrazione digitale dati – fotocamera e videocamera Insegnanti e allievi possono usare camere digitali e videocamere per registrare esperimenti da loro svolti, o anche fare fotografie che possono servire per revisione (o insegnamento) o che gli studenti possono includere nel loro lavoro. Tecnologia di proiezione La tecnologia di proiezione è un elemento importante per insegnare la fisica. Può essere usata per rendere pubblico e visibile a tutti ciò che è visibile su un singolo computer. Proiettori dati e schermi, grandi monitor o TV possono essere usati per le dimostrazioni e per registrare e salvare le stesse. Ancora più utili, gli schermi interattivi permettono agli allievi di interagire col materiale presentato, mentre schermi di monitoraggio e software per la condivisione di materiali (per es AB Tutor Control, www.abconsulting.com) permettono ad un tutor di interagire con l'intera classe consentendo ad esempio di confrontare risultati ottenuti da diversi allievi e un modello preso da SUPERCOMET. Queste tecnologie, usate insieme, consentono di avere un archivio completo e comune di un esperimento.

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Perchè usare le TIC nell’insegnamento della fisica? L'uso delle TIC nei curricula scientifici in Europa è stato richiesto sin dall'inizio degli anni novanta. In letteratura (Osborne and Hennessy, 2003) si sostiene che le TIC hanno il potenziale per trasformare l'insegnamento e l’apprendimento della scienza in classe. Tra i benefici notati ci sono: Le TIC possono aiutare gli allievi a lavorare più velocemente e li libera da compiti che richiedono lavoro intenso

• l'uso delle TIC (in particolare il l’elaboratore dati) può accelerare il processo tedioso e che può

condurre a degli errori di prendere misurazioni complesse, lavorarando con formule difficili e disegnando grafici.

• è possibile registrare e confrontare un gran numero di risultati, anche di classi e in tempi diversi. • le TIC migliorano la produttività degli allievi e la qualità del loro lavoro • le simulazioni interattive evitano che studenti – e insegnanti – perdano tempo a preparare la

strumentazione • essendo più veloci delle procedure manuali, quelle basate sulle TIC sono anche più accurate e

forniscono dati meno “sporchi” che possono quindi descrivere i fenomeni con maggior chiarezza. • i link nelle schede elettroniche e nelle attività interattive fanno risparmiare agli studenti il tempo della

ricerca di risorse. • le TIC riducono il lavoro dei docenti permettendo loro di spendere più tempo con gli allievi, aiutandoli

ad analizzare i dati e a confrontarli con quelli trovati da altri. • schermi che mostrano i dati in tempo reale possono essere usati come base per la discussione in

classe e consente all'insegnante di dimostrare istantaneamente il rapporto tra fenomeno e modello, anche quando ci sono molte variabili.

• l’ uso della modellizzazione e della simulazione al computer permette agli allievi di analizzare modelli e processi più complessi di quelli analizzabili in una classe.

Ampliare e aggiornare l’apprendimento le TIC e Internet consentono agli allievi l'accesso a una più ampia gamma di strumenti aggiornati e di fonti di informazione. Questo rende l’insegnamento e l’apprendimento più autentici e aggiornati di quanto possano esserlo con l’utilizzo dei sol libri di testo.

• gli allievi possono collegare ciò che apprendono con il mondo reale • i buoni allievi possono usare le risorse fornite per imparare più da quanto stabilito dal docente - o dal

curriculum - • simulazioni, animazioni e laboratori virtuali consentono agli allievi e agli insegnanti di osservare e

prendere parte alle esperienze, cosa che sarebbe altrimenti impossibile a causa di costi, sicurezza, tempo o strumentazione.

• gli esperimenti virtuali possono essere ripetuti quante volte sia necessario, cosa che raramente può essere fatta nelle esperienze dal vivo.

Le TIC incoraggiano gli studenti ad esplorare e a sperimentare • l'uso di grafici e di strumenti di modellizzazione cosi come simulazioni interattive, che danno un

feedback immediato, incoraggiano gli allievi a lavorare in modo più sperimentale e piacevole, studiando relazioni e testando, raffinando e ri-testando le loro idee.

• visualizzare lo sviluppo di un grafico o la spiegazione di un modello su uno schermo migliora il lavoro condotto con la tecnica di insegnamento Previsione-Osservazione-Spiegazione.

• i modelli interattivi e la veloce presentazione dei dati permessi dall’uso delle TIC, incoraggiano gli allievi a fare domande esplorative (“cosa accade se…”) e a verificare le risposte a queste domande pianificando e eseguendo attività virtuali.

• Poiché le TIC sono interattive e dinamiche in un modo che un testo scritto non potrebbe essere, il loro uso (per es spreadsheets e software di modellizzazione) sviluppa negli studenti un approccio interattivo all’apprendimeno.

Le TIC sottolineano alcune importanti questioni

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• gli allievi possono meglio visualizzare i processi fisici e mettere in relazione variabili differenti in relazioni qualitative o numeriche .

• l'attenzione può essere fissata su questioni/concetti più che su minuzie . • l'astrazione e altre difficoltà nella percezione dei fenomeni fisici (per es la corrente e il campo

magnetico) vengono messe in luce. • gli allievi possono imparare i concetti più velocemente e facilmente, possono formulare nuove idee

più velocemente e trasferirle nei vari contesti. • quando un grafico evolve sullo schermo in tempo reale, l'attenzione degli allievi è indirizzata su cosa

cambia con i dati . • usando l’analisi dei dati al computer e i sistemi di interpretazione, gli allievi si possono meglio

concentrare sulle relazioni tra le variabili anzichè sui singoli punti che costituiscono il grafico.

Incremento dell’autonomia e del lavoro collaborativo • l'uso delle TIC per esplorare e sperimentare fenomeni fisici aiuta gli allievi ad avere un maggior

controllo sul loro apprendimento e ad avere un ruolo più attivo. • gli allievi che usano le TIC lavoreranno in modo più(ma non completamente) indipendente

dall'insegnante. • “indipendenza” non significa che gli allievi lavorano da soli. La collaborazione alla pari tra studenti

che lavorano insieme ai compiti, scambiando le loro conoscenze e esperienze e producendo risultati comuni sta diventando un modello prevalente nell’uso delle tecnologie per l’educazione.

Migliorare motivazione e coinvolgimento • c’è evidenza che gli allievi che lavorano con le TIC sono più motivati di altri che lavorano in altri

modi. • le TIC possono migliorare molto la qualità della presentazione del lavoro degli allievi e li aiuta a

creare risorse multimediali. • gli allievi partecipano più attivamente e con costanza alle attività di laboratorio, perchè le TIC offrono

un nuovo modo per imparare, ma anche perchè eliminano alcuni dei lavori più noiosi, mentre l’immediatezza e l’accuratezza dei risultati ottenuti sono motivanti in sè.

17

Modi di utilizzo delle TIC in classe Un modo può comprendere una serie di esperimenti dal vivo, ognuno dei quali collegato ad un apparecchio data logging con un software che fornisce grafici in tempo reale, collegato ad un proiettore, che consente agli allievi di salvare i dati per presentarli a studenti di atri paesi tramite internet. Questi esperimenti reali saranno supportati dalle simulazioni previste dal CD ROM SUPERCOMET. Tutte le dimostrazioni possono essere filmate in tempo reale e rese disponibili per l'uso degli allievi. Nonostante ciò, molte scuole non sono in grado di fornire laboratori pieni di computer, lavagne, registratori video, computer collegabili ad internet e proiettori. Questo non è sempre male: metodi alternativi di lavoro, che richiedono il coinvolgimento attivo e il lavoro collaborativi degli studenti, possono essere molto efficace. Barton (2004) suggerisce le seguenti soluzioni:

Dimostrazione Dimostrazioni dal vivo usando apparecchiature convenzionali (per es termometri al mercurio), seguiti da interazioni con simulazioni possono essere molto efficaci, specialmente se l'insegnante ha chiesto agli allievi di fare delle previsioni (per es disegnando dei grafici) prima della dimostrazione. Si può usare questo metodo se l'insegnante vuole evitare che gli allievi maneggino sensori costosi e fragili o materiali pericolosi come l’azoto liquido. Si possono usare grafici sviluppati durante le dimostrazioni – e registrazioni video delle stesse - per aiutare gli allievi a rivedere esperimenti e dimostrazioni precedenti.

Utilizzo di data loggers e apparecchiature convenzionali Quando c'è più di un elaboratore dati ma non in numero sufficiente per l'intera classe, ci sono altri metodi di lavoro. L'insegnante e/o alcuni allievi possono registrare dati usando l’elaboratore dati, mentre il resto della classe utilizza l’apparecchiatura convenzionale del laboratorio. I risultati ottenuti si possono confrontare. Data logging equipment can also extend what is possible using conventional equipment, for example by allowing for the recording of data over periods that extend beyond a classroom period.

Circus of experiments and ‘dip-in-and-out’ lessons Se ci sono dei limiti per quanto riguarda l’elaboratore dati e/o il software di simulazione (per es le animazioni SUPERCOMET) disponibili in classe, si possono sempre usare come parte di un “insieme di esperimenti” o come una lezione "dip-in-and-out". Un insieme di esperimenti implica il fatto che gli allievi si muovano nella stanza da una attività/esperienza all'altra. Si può, ad esempio, creare un circuito di piccoli esperimenti sull'induzione elettromagnetica, alcuni in cui si usano magneti reali, fili di rame e galvanometri, mentre altri usano SUPERCOMET. Una lezione dip-in-and-out è simile, ma qui l'attenzione della classe si rivolge non ad attività pratiche ma a mettere insieme, analizzare e stampare dei dati.

Una lezione “metà e met” Si può fare una lezione metà e metà se si hanno a disposizione dei computer solo per la metà degli allievi per lavorare con essi solo in alcuni momenti. In questa situazione, metà degli allievi lavora al computer mentre l'altra metà s'impegna in un'esperienza pratica. I due gruppi possono poi scambiarsi a metà lezione.

Utilizzo di risorse già esistenti Una ricerca su Google sulla superconduttività porta a quasi cinque milioni di collegamenti!!1 Una ricerca su Google sulla superconduttività porta a quasi cinque milioni di collegamenti! Si trova molto materiale da usare per l'insegnamento, e si dovrà scegliere tra molte possibilità. Questa sezione dà alcuni consigli su come trovare e valutare questo materiale. Una sezione con altre risorse è disponbile alla fine della guida per aiutarti nella scelta.

Qualche aiuto per la ricerca in Internet di argomenti scientifici2

1 Search performed on 3 Sept. 2007

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Non è saggio lasciare che gli allievi cerchino in internet siti scientifici durante le lezioni in quanto può sottrarre tempo e la qualità dei siti trovati dagli allievi non può essere buona. E’ molto meglio fornire agli allievi una lista dei siti da cercare senza spendere troppo tempo. Le domande che seguono possono aiutare:

• l'informazione che si cerca è disponibile in una enciclopedia? Se è cosi si può visitare una enciclopedia che può fornire queste informazioni.

• si cerca un'informazione su un argomento specifico? Ad esempio, immagini sul treno di Maglev si possono trovare www.maglev-train.com, cosi come informazioni sull'acceleratore di particelle del CERN si può trovare in www.cern.ch.

• se questo non è utile si può provare sul sito del ASE www.ase.org.uk oppure www.superconductivity.org

Se vi servono altre informazioni dovrete condurre una ricerca

Tips on using a search engine • usare diversi spelling di parole nei campi di ricerca per evitare di escludere risorse. • usare parole diverse. Per es, usare “materiali per l’insegnamento” oltre che “risorse per

l’insegnamento” • utilizzare più di un motore di ricerca, altrimenti usandone uno non si ha una ricerca esaustiva. • se si usa internet con dei bambini, i seguenti siti possono essere d’aiuto:

www.cybersleuth-kids.com www.factmonster.com www.kids.yahoo.com/

Informazioni sulla valutazione BECTA (http://schools.becta.org.uk) offre queste indicazioni per valutare i siti web:

• è il contenuto adatto per usi educativi? • il contenuto è accurato, aggiornato, comprensibile, oggettivo per chi apprende e usa un vocabolario

adatto? • l'interfaccia è intuitiva, con del materiale ben organizzato? • il contenuto è interattivo, coinvolge chi apprend con dei concetti chiave e non crea meramente delle

attività virtuali prive di significato? • la risorsa fornisce dei supporti e dà feedback? • la risorsa incoraggia gli allievi alla discussione dei problemi, a mettere in comune idee ed

informazioni? • la risorsa è tecnicamente stabile?

2 Adapted from Fullick (2004)

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Trovare, adattare e mettere in comune materiale per l'insegnamento della superconduttività

Finding teaching materials Esiste un gran numero di database e di risorse on line che offrono materiale per l'insegnamento. Sebbene la maggior parte di essi contengono materiale specifico sulla superconduttività, molti ne contengono sul magnetismo e sull'elettricità. Puoi forse contribuire con il tuo?

• http://www.smete.org/-database su materiale per l’insegnamento sviluppato da SMETE Open Federation.

• www.practicalphysics.org, sito web per insegnanti che condividono esperienze. • www.physics.org, il sito dell'istituto di fisica ha tanti link a materiali per l’insegnamento della

superconduttività.

Adattare i materiale d'insegnamento Quando si è trovato del materiale per l'insegnamento, si deve considerare quanto segue:

• le risorse trovate si adeguano agli obiettivi d'insegnamento? • il materiale è adatto per la comprensione degli allievi? • la risorsa viene presentata in segmenti che rispettano i propri orari d'insegnamento? • quanto semplice è l'utilizzo del materiale? • si possiedono le attrezzature necessarie per l'utilizzo della risorsa? • il materiale è accessibile? ( vedi www.techdis.ac.uk per suggerimenti)

è possibile che sia necessario fare degli adattamenti del materiale affinchè sia adatto ai propri allievi. Condividere materiali Se si creano delle nuove risorse per l’apprendimento e l'insegnamento della superconduttività, perchè non condividerle con gli altri? Una comunità SUPERCOMET online è stata creata – vedi www.supercomet.eu per maggiori informazioni. Diritti d'autore Verificare sempre i diritti d’autore dei materiali utilizzati. BECTA fornisce una guida (disponibile a http://schools.becta.org.uk )

20

La Fisica della Superconduttività

1. Introduzione/Fenomeni Il punto di partenza della scoperta della superconduttività è stata una discussione sulla dipendenza dalla temperatura della resistenza dei metalli. Secondo la teoria classica (P. Drude e H.A. Lorentz) c’erano due possibilità per il caso limite alla temperatura dello zero assoluto:

• gli elettroni dovrebbero condensare attorno agli atomi; il metallo dovrebbe diventare un isolante alla temperature T = 0 K.

• non c’è condensazione; la resistenza va a zero come la radice quadrata di T. Gli esperimenti, però, rivelarono che nessuna delle due previsioni si realizzava. Dopo che Heike Kamerlingh Onnes riuscì a liquefare l’elio (a 4.2 K) nel 1908, fu possibile misurare la resistenza dei metalli a temperature molto basse con il risultato che essa si avvicinava a un valore finito che dipendeva fortemente dalle impurezze. Per campioni molto puri, la resistenza dovrebbe andare a zero, dato che la dipendenza della temperatura osservata può essere associata all’agitazione termica degli atomi. Nel 1911 furono condotti molti esperimenti con mercurio molto puro con il risultato che realmente la resistenza del mercurio assumeva valori molto piccoli, ma inaspettatamente essa crollava repentinamente a zero (nel 1913 H. Kamerlingh Onnes vinse il Premio Nobel per questa scoperta).

Fig. 1: Resistenza del mercurio: fase di transizione alla superconduttività Poco dopo fu scoperto che, al di sopra di un valore critico di densità di corrente, la resistenza diventava nuovamente finita. Un altro fenomeno della superconduttività è di natura magnetica – il cosiddetto "Effetto Meissner-Ochsenfeld": i superconduttori mostrano la caratteristica di espellere completamente un campo magnetico applicato, indipendentemente da quando questo campo sia stato applicato, prima o dopo la transizione alla fase superconduttiva.

0.025

0.05

0.075

0.125

0.00

0.10

4.00 4.10 4.20 4.30 4.40

Hg

10-5Ω

Resistenza in Ω

Temperatura in K

21

Fig. 2: Effetto Meissner-Ochsenfeld

http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:EfektMeisnera.svg

Un superconduttore, di conseguenza, si comporta come un materiale diamagnetico perfetto. Ma esiste un valore critico del campo magnetico al di sopra del quale la superconduttività scompare. In effetti è questo comportamento magnetico che caratterizza un materiale come superconduttore. Non si ebbe una descrizione teorica di questi fenomeni, tuttavia, fino al 1957, quando J. Bardeen, L.N. Cooper and J.R. Schrieffer svilupparono con successo una teoria quantistica consistente della superconduttività (Teoria BCS). Una prova della natura quantistica della superconduttività è l’ Effetto Josephson che portò allo sviluppo di molti dispositivi innovativi. Il comportamento magnetico sopra descritto è tipico dei cosiddetti Superconduttori del I Tipo, di solito rappresentati dagli elementi metallici. Più tardi fu trovato un altro tipo di superconduttori, chiamati Superconduttori del II Tipo, soprattutto leghe e composti. Essi mostrano due valori critici di campo magnetico: al di sotto del primo il materiale si trova nello stato Meissner (come un Superconduttore del I Tipo), tra il primo e il secondo è in un cosiddetto stato misto o stato Abrikosov (vincitore del Premio Nobel nel 2003), al di sopra del secondo valore critico di campo il materiale diventa nuovamente un normale conduttore. La fase intermedia è caratterizzata dalla comparsa nel materiale di vortici di flusso, ognuno dei quali porta una unità di flusso magnetico quantizzato ("fluxoid"). Quando i vortici sono trattenuti da difetti ("pinning"), il materiale può tollerare campi magnetici piuttosto intensi ed è detto “Superconduttore Duro”, tali materiali sono di conseguenza molto utili per applicazioni tecnologiche. Tra il 1986 e il 1993 è stato scoperto un nuovo tipo di superconduttori: i cosiddetti "Superconduttori ad Alta Temperatura (High-Tc)". Essi sono caratterizzati da temperature critiche molto alte, alcune ben al di sopra del punto di ebollizione dell’azoto liquido (77 K). J.G. Bednorz and K.A. Müller hanno ricevuto il Premio Nobel nel 1987 per la scoperta pionieristica di questi superconduttori. Nel frattempo il record di temperatura critica registrata cade intorno a 160 K. La maggior parte di questi materiali sono ceramici e la fisica che descrive la loro superconduttività non è ancora chiaramente compresa

2. Proprietà elettriche La superconduttività, come indica il nome, descrive il fenomeno secondo il quale un pezzo di materiale diventa un conduttore perfetto con resistenza elettrica nulla e ciò avviene molto repentinamente al di sotto di una certa temperatura, la temperatura critica Tc. Solitamente ciò avviene a temperature molto basse, appena al di sopra dello zero assoluto. Come si giustifica il fatto di parlare di scomparsa della resistenza? Al tempo della scoperta, l’accuratezza della misura era intorno a 10-5, oggi la diminuzione della resistenza all’inizio della fase superconduttiva può essere misurata con una accuratezza di 10-14. Questo può essere fatto monitorando la diminuzione di una corrente in un anello superconduttore (anche Kammerlingh Onnes utilizzò questo metodo molto sensibile nel 1914): una barra magnetica viene dapprima inserita nell’anello allo stato normale, poi l’anello viene raffreddato portandolo al di sotto della temperatura critica del materiale di cui è fatto. Quando il magnete viene rimosso, si registra nell’anello una corrente indotta. Se questa corrente decresce nel tempo,

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sicuramente esiste una resistenza nel conduttore; se non decresce, si può determinare un limite superiore della resistenza.

Fig. 3: Creazione di una supercorrente in un anello superconduttore: prima l’anello viene raffreddato, poi il

magnete viene rimosso. La bassa resistenza dei metalli è connessa con l’osservazione che il trasporto di carica è realizzato dai cosiddetti elettroni liberi nel materiale. In realtà essi sono solo quasi-liberi in quanto essi collidono durante il loro moto l’uno con l’altro, dando il cosiddetto contributo intrinseco alla resistenza (abbastanza indipendente dalla temperatura) e con gli ioni del reticolo cristallino (in realtà eccitazioni elementari delle vibrazioni reticolari, dette fononi). L’ultimo contributo è fortemente dipendente dalla temperatura. Perchè in un materiale superconduttore dovrebbe essere improvvisamente proibito lo scambio di energia tra gli elettroni di conduzione e il reticolo? Intorno al 1930 si è dimostrato che la superconduttività deve essere un fenomeno quantistico macroscopico. Solidi che normalmente sono buoni conduttori (come rame, argento, oro) in genere non diventano superconduttori, mentre molti cattivi conduttori possono diventare superconduttori. La ragione di quest’ultima osservazione risiede nella forte interazione (scattering) elettrone-fonone, che porta a alti valori della resistenza nello stato normale, mentre è responsabile del meccanismo della superconduttività quando questa si realizza a bassa temperatura. L’esistenza di una densità di corrente limite (corrente critica) che un superconduttore può sostenere è legata a questo meccanismo (vedi la Sezione 4).

3. Comportamento magnetico In un campo magnetico, i superconduttori si comportano in modo piuttosto differente dai (anche perfetti) conduttori metallici: un superconduttore è un materiale diamagnetico perfetto, la magnetizzazione indotta compensa completamente un campo magnetico applicato – ma solo fino a un valore critico Bc (vedi fig. 4a).

N

B

T > TC T < TC

Is

B

23

Fig. 4: a) Magnetizzazione indotta in un superconduttore (I Tipo) in funzione del campo magnetico applicato

b) Dipendenza del valore critico del campo magnetico dalla temperatura

Nel 1935 W. Meissner e R. Ochsenfeld scoprirono l’effetto (chiamato più tardi col loro nome) secondo il quale un flusso magnetico sarà sempre espulso dal materiale superconduttore, indipendentemente se il campo magnetico è applicato prima o dopo l’insorgere dello stato superconduttivo. Così l’effetto è indipendente dalla sua storia precedente e quindi è reversibile in termini termodinamici. Di conseguenza la superconduttività è un vero stato termodinamico. La dipendenza dell’intensità del campo magnetico critico dalla temperatura può essere approssimata molto bene dalla semplice espressione (vedi fig.4b)

Bc(T) = Bc(0) [1 – (T/Tc)²] . Poco dopo la scoperta dell’effetto Meissner-Ochsenfeld fu sviluppata una teoria fenomenologica da F. e H. London. Essa, tra le altre cose, prediceva che il campo magnetico non venisse espulso completamente fino alla superficie del superconduttore, ma penetrasse in un sottile strato dove scorrono le correnti di compensazione. La lunghezza caratteristica associata a questo strato è detta profondità di penetrazione di London λL, e tipicamente è del’ordine di 50 nm. Il fatto che tutto il trasporto di energia avvenga in un sottile strato superficiale di un filo superconduttore ha alcune conseguenze pratiche: migliaia di sottili filamenti superconduttori possono essere inseriti in una matrice di rame, che trasportano la corrente sotto la temperatura critica; tuttavia se la superconduttività improvvisamente cessasse il materiale di rame si assumerebbe il trasporto della corrente in modo tale da prevenire la distruzione del filo. Se si applica la regola di quantizzazione di Bohr-Sommerfeld a una corrente in un anello superconduttore (a un sistema macroscopico!) si ottiene il risultato che il flusso magnetico è quantizzato, cioè il flusso magnetico risulta di unità elementari di "fluxoids"

Φ0 = h/2e0 = 2.07 x 10-15 Tm² (= Wb) dove h è la costante di Planck e e0 l’unità elementare di carica. In realtà, al denominatore c’è la carica dei portatori di corrente, che sperimentalmente risulta essere il doppio della unità elementare di carica, indicando che in un superconduttore si ha un accoppiamento di elettroni (maggiori dettagli nella sezione successiva).

4.Teoria BCS La Teoria BCS (per la quale J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer ricevettero il Premio Nobel nel 1972) è una teoria quantistica a molte particelle che spiega la superconduttività nei metalli. L’osservazione sperimentale che la temperatura critica mostra una forte dipendenza dalla presenza nel metallo di una maggiore quantità di isotopi pesanti o di isotopi leggeri ("effetto isotopico") indica che le vibrazioni quantizzate del reticolo (i cui quanti sono chiamati fononi), che dipendono dalla

a)

Bc

-4πM

Tipo 1

B Tc

B

Meissner

Bc

b) T

24

massa, giocano un ruolo vitale nella formazione dello stato superconduttivo. Misurando il calore specifico, dal cui valore dipende la formazione delle coppie di elettroni nello stato superconduttivo, fu trovato anche un gap di energia nello spettro di eccitazione elettronico dei superconduttori sotto Tc. L’idea di base che sta dietro alla Teoria BCS si poggia sulla formazione delle cosiddette coppie di Cooper che consistono in due elettroni (con quantità di moto e spin opposti, vedi oltre). Questo può essere ottenuto postulando una nuova interazione attrattiva debole elettrone-elettrone attraverso l’emissione e l’assorbimento di fononi virtuali che può essere interpretata nel modo seguente: l’emissione di un fonone virtuale da un elettrone è equivalente a una deflessione degli ioni del reticolo e quindi a una polarizzazione del reticolo nelle sue vicinanze. Se un altro elettrone attraversa questa nube di polarizzazione, sente una forza attrattiva (dovuta all’assorbimento del fonone virtuale) indipendente dalla repulsione Coulombiana tra gli elettroni (va qui notato che i fononi scambiati non possono essere reali in quanto un fonone reale porterebbe a un trasferimento di energia al reticolo e quindi a una resistenza non nulla). La formazione delle coppie di Cooper è un processo dinamico, dipende da quanto velocemente il reticolo può seguire l’azione polarizzante degli elettroni, e di conseguenza le masse degli ioni giocano un ruolo cruciale, portando al sopra menzionato effetto isotopico della temperatura critica. Poiché il reticolo reagisce molto più lentamente degli elettroni che viaggiano attraverso di esso, l’accoppiamento della coppia di Cooper avviene a distanze tra 100 nm e 1000 nm; questa distanza è detta "lunghezza di coerenza" e può essere interpretata come estensione media della coppia di Cooper. All’interno di questa distanza c’è un numero di elettroni dell’ordine di 106, sotto forma di coppie di Cooper che si disintegrano e si riformano continuamente. Un calcolo di meccanica quantistica mostra che tutte le coppie di Cooper hanno quantità di moto totale e spin nulli (a T = 0 K). Quindi ogni coppia di Cooper si comporta come un bosone, fatto che favorisce la situazione in cui tutte le coppie sono nel medesimo stato quantico di energia. L’insieme di tutte le coppie è descritto da una singola funzione d‘onda che attraversa l’intero superconduttore. L’energia di legame di una coppia di Cooper è dell’ordine di pochi meV, molto più piccola dell’energia di legame degli elettroni nel metallo (alcuni eV), di conseguenza l’accoppiamento degli elettroni in coppie di Cooper è possibile solo se l’energia termica del reticolo è bassa. Questa energia di legame ovviamente crea il sopra menzionato gap di energia nello spettro elettronico. Appena sotto la temperatura critica solo una piccola parte degli elettroni di conduzione si lega in coppie di Cooper; man mano che la temperatura decresce si formano sempre più coppie fino a quando a T = 0 K sono tutte coppie. Quando si applica un campo elettrico, tutte le coppie hanno la stessa quantità di moto senza alcuna interazione col reticolo, e ciò porta all’osservato trasporto di carica senza resistenza; comunque la quantità di moto che può essere trasferita alle coppie è limitata, infatti quando la loro energia cinetica supera quella di legame, la superconduttività scompare – questa è la ragione dell’esistenza della corrente critica. Anche i campi magnetici possono essere applicati fino a una certa intensità, dal momento che la corrente di compensazione raggiungerebbe poi il suo valore critico. In conclusione va notato che la Teoria BCS ha bisogno di soli tre parametri per esprimere le caratteristiche essenziali della superconduttività nei metalli: essi sono le caratteristiche del sottosistema elettronico (densità di stati vicino alla superficie di Fermi), del reticolo (le frequenze caratteristiche fononiche), e l’intensità dell’accoppiamento elettrone-fonone.

5. L’effetto Josephson Se due superconduttori sono connessi tramite un sottile strato di materiale non superconduttore (di spessore di pochi nanometri), la teoria quantistica prevede una probabilità non nulla che le coppie di Cooper possano attraversare la barriera tra un superconduttore e l’altro. I due superconduttori si dicono allora debolmente accoppiati. Un simile apparato è detto giunzione di Josephson, da Brian D. Josephson, che predisse il fenomeno teoricamente nel 1962 e vinse il Premio Nobel nel 1973, dopo la verifica sperimentale della sua previsione. La giunzione di Josephson può essere una combinazione di superconduttore-isolante-superconduttore (SIS) o superconduttore-normale conduttore-superconduttore (SNS), o realizzata pressando un sottile punto superconduttore in un altro superconduttore, o una fenditura molto stretta in un film superconduttore.

25

Fig. 5: La giunzione Josephson

Il fatto che in un superconduttore tutte le coppie di Cooper siano nello stesso stato quantico implica anche che la fase della funzione d’onda ad esse associate è ben determinata. Se si applica una tensione U0 alla giunzione, fluirà attraverso di essa una supercorrente, a resistenza nulla, Is (corrente di Josephson) di intensità

Is = Ic sin (∆φ) .

dove ∆φ è la differenza di fase tra le funzioni d’onda dei due superconduttori accoppiati, in analogia alla differenza di fase tra due pendoli accoppiati debolmente in meccanica. Il valore di Is può essere incrementato incrementando la tensione applicata U0 fino alla corrente critica Ic. Questo fenomeno è chiamato Effetto Josephson DC (corrente continua). Se la corrente diventa più intensa di Ic, ai capi della barriera apparirà una tensione Us , cioè si sviluppa una certa resistenza. Questa tensione comporta una differenza di energia tra i sistemi di coppie di Cooper, data da :

∆E = 2 e0 Us ,

e, in accordo con la meccanica quantistica, questa è equivalente a una differenza nelle frequenze interne dei sistemi di ∆ν = ∆E/h. Se i due sistemi oscillano con frequenze differenti ma costanti nel tempo, la differenza di fase tra di essi varia linearmente col tempo

∆φ(t) = 2π ∆ν t = (2π/Φ0) Us t . dove appare nuovamente il quanto di flusso magnetico Φ0 ; il suo inverso è detto costante di Josephson KJ. Come conseguenza, una supercorrente alternata con la cosiddetta frequenza di Josephson

νJ = 2 e0 Us/h ora fluisce allora attraverso la barriera. Questo determina l’ Effetto Josephson AC (corrente alternata). Le giunzioni di Josephson sono usate come elementi di commutazione estremamente rapidi e accurati stabilizzatori di tensione. In aggiunta essi sono usati in dispositivi di misura di flussi magnetici estremamente piccoli (SQUIDs = Superconducting Quantum Interference Devices). Nell’ Effetto Josephson AC Inverso, una tensione alternata di frequenza ν è applicata alla giunzione Josephson (di solito irradiandola con microonde). Si creano livelli discreti di tensione tra i due superconduttori, del tipo

Un = n Φ0 ν, n = 1, 2, 3, ...

S S

US

I

R U0

26

Quindi la giunzione Josephson si comporta come un perfetto convertitore frequenza-tensione. Di conseguenza è usato in tutto il mondo come base per la tensione costante di riferimento negli istituti nazionali metrologici e nei laboratori di calibrazione delle industrie. Infine va notato che l’effetto Josephson è stato dimostrato anche con i nuovi Superconduttori ad alta temperatura.

6. Superconduttori del I Tipo/ II Tipo I fenomeni e la loro interpretazione teorica, così come descritti nelle Sezioni 2-4, sono relativi ai cosiddetti Superconduttori del I Tipo, caratterizzati da un completo Effetto Meissner-Ochsenfeld al di sotto di Tc e Bc: un campo magnetico applicato decresce esponenzialmente all’interno della profondità di penetrazione di London dove scorre una supercorrente, all’interno il campo è nullo. Sopra il valore critico di campo Bc le coppie di Cooper si scindono e il materiale diventa un normale conduttore. I materiali che mostrano un simile comportamento sono di solito metalli puri che sono caratterizzati, comunque, in generale da bassi valori di temperatura e intensità di campo magnetico critici. Di conseguenza non sono molto utili per le applicazioni tecnologiche. Di contro, i cosiddetti Superconduttori del II Tipo (di solito leghe e composti) mostrano un differente comportamento: al di sotto di un primo campo magnetico critico Bc1, essi sono nel cosiddetto stato Meissner e mostrano un completo Effetto Meissner-Ochsenfeld (come un Superconduttore del I Tipo). Tra questo campo critico e un secondo campo critico Bc2 (di solito molto più alto) essi mostrano un Effetto Meissner-Ochsenfeld incompleto, che significa che un campo magnetico applicato può entrare nel materiale. Al di sopra del valore Bc2 la superconduttività scompare (vedi fig. 6a). Fig. 6: a) Magnetizzazione indotta in un Superconduttore del II Tipo in funzione del campo magnetico applicato

b) Dipendenza dell’intensità del campo magnetico critico dalla temperatura Nello stato intermedio (misto, Abrikosov o fase di vortice) è energicamente favorito che esistano nel materiale vortici di flusso magnetico Φ0 . Questi vortici sono nella fase conduttiva normale e sono circondati da regioni superconduttrici in cui scorrono correnti superconduttrici a forma di anello (vedi fig. 7). Mentre il campo magnetico cresce da Bc1 a Bc2, sempre più vortici entrano nel materiale; poiché essi si respingono l’uno con l’altro, si forma un ordinato reticolo esagonale bi-dimensionale di vortici. Questo può essere osservato al microscopio.

Tc

b)

B

Meissner

Bc1

Bc2

Misto

Normale

T Stato

normale

Bc2 Bc1 Bc

Stato di

vortice

Stato

Superconduttivo

a)

-4πM

B

27

Fig. 7: Disegno di vortici in un Superconduttore del II Tipo La base teorica di questi fenomeni è stata posta dal lavoro di V.L. Ginzburg e L.D. Landau (1950) , poi esteso da A.A. Abrikosov (1957) e L.P. Gor'kov (1960). Abrikosov e Ginzburg vinsero il Premio Nobel nel 2003 per il loro lavoro (essendo Landau morto nel 1968). Si possono esprimere le caratteristiche essenziali considerando le scale di lunghezza caratteristica: la prima definisce una lunghezza di coerenza efficace ξ che dipende dalla lunghezza di coerenza “intrinseca” ξ0 (cioè l’ "estensione”di una coppia di Cooper) e dal cammino libero medio L degli elettroni nello stato conduttore normale (che implica la resistenza; cioè, un piccolo/grande L significa un cattivo/buon conduttore):

1/ξ = 1/ξ0 + 1/L Questa lunghezza di coerenza va confrontata con la profondità di penetrazione di London λL. In un superconduttore puro (con un grande L) ξ è approssimativamente uguale a ξ0 e maggiore di λL. Dall’altro lato, quando L è piccolo, ξ può diventare minore di λL, e lo stato superconduttivo si modifica, così che un campo magnetico può entrare nel materiale, cioè esso è un Superconduttore del II Tipo. Le stesse scale di lunghezza determinano le intensità del campo magnetico critico: Bc1 dipende da λL, e Bc2 da ξ, così che il loro prodotto è approssimativamente uguale al campo critico “termodinamico” Bc (vedi fig. 6a),

Bc1 Bc2 ≈ Bc2 .

Idealmente, i vortici possono viaggiare liberamente attraverso il materiale, ma difetti del materiale (“bordi di grano”, ovvero interfacce tra i macrocristalli in un materiale policristallino, difetti di punto etc.) tendono a fermarli. Questo ha dei vantaggi tecnici: possono essere prodotti campi magnetici più alti in tali “Superconduttori Duri” (intorno a 50 Tesla). Inoltre, poiché il campo magnetico è presente in gran parte del materiale, tutta la sezione può essere usata per il trasporto di corrente, permettendo correnti critiche più alte. Con appropriate lavorazioni dei materiali, superconduttori del I Tipo possono essere resi del II Tipo (duri).

7.Superconduttori ad Alta Temperatura I Superconduttori ad Alta Temperatura sono superconduttori con una temperature critiche ben al di sopra dei 30 K. Fino al 1986 si pensava che, in accordo con la Teoria BCS, la superconduttività al di sopra dei 30 K non fosse possibile. Ma in quell’anno, J.G. Bednorz e K.A. Müller scoprirono la superconduttività in materiali ceramici perovskiti di ossido di rame (La2-xBaxCuO4) con temperature critiche tra i 30 K e i 40 K (per questo hanno vinto il Premio Nobel nel 1987). Poco dopo fu scoperto che, sostituendo il lantanio con ittrio, cioè fabbricando YBa3Cu3O7, le temperature critiche potevano salire a 93 K. Questo materiale, anche conosciuto come YBCO o composto-123, è attualmente uno dei superconduttori ad alta temperatura meglio studiati.

Ba

28

Fig. 8: Sviluppo della superconduttività ad alta temperatura

Così, raffreddando con azoto liquido (punto di ebollizione a 77 K), diventa molto più facile ed economico realizzare applicazioni tecnologiche. Negli anni seguenti sono stati scoperti molti altri materiali con temperature critiche ancor più elevate, il record ufficiale (Marzo 2007) è Tc = 138 K per Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8. A pressioni elevate, il composto di mercurio HgBa2Ca2Cu3O8 raggiunge una temperatura critica anche maggiore di 160 K. È stato anche brevettato un materiale con temperatura critica fino a 150 K. Sfortunatamente, il meccanismo che sta alla base della superconduttività ad alta temperatura non è ancora noto, sebbene alcune caratteristiche comuni degli ossidi di rame ad alta Tc siano state trovate: tutti i composti di rame non drogati sono isolanti antiferromagnetici, drogandoli diventano metallici e, quindi, superconduttori. Esiste una concentrazione di drogaggio ottimale, sotto e sopra la quale Tc è più bassa. I portatori di carica di molti superconduttori ad alta temperatura sono lacune (assenza di elettroni). Gli elementi della struttura comune sono piani di CuO2 che sono i principali responsabili della supercorrente. Un possibile candidato per la formazione delle coppie di Cooper (essenziali per la superconduttività) potrebbe essere una interazione spin-spin antiferromagnetica, mentre i fononi (come nella Teoria BCS) saranno molto probabilmente esclusi. Si sta conducendo molto lavoro per trovare una teoria fondamentale della superconduttività ad alta temperatura. Come nota finale, nel 1964 fu fatta un’ipotesi secondo cui i materiali organici potrebbero mostrare superconduttività con temperature critiche molto elevate. Questa attesa non è stata confermata , ma effettivamente sono stati trovati superconduttori organici con temperature critiche intorno a 10 K.

29

Figura 9: modello 3D di YBCO http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:YBCO-3D-balls.png

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Ringraziamenti Parti di questo articolo sono stati adattati da W. Buckel and R. Kleiner, Superconduttività: teoria ed applicazioni, Wiley, Weinheim (2003), specialmente alcune figure. Anche un manoscritto di C. Ambrosch-Draxl per un corso di superconduttività all’Università di Graz è stato molto utile. Le Figure 2, 4a e 6a sono state adattate da Ch. Kittel: Introduzione alla fisica dello stato solido , 7th ed., Wiley, New York (1996).

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I Moduli

Introduzione

Chi sono le persone che stanno dietro I supercondutori?

Storia della superconduttività

Quale scienza c’è dietro la

superconduttività? Il Magnetismo


superconduttività? Induzione

elettromagnetica


superconduttività? Conduzione elettrica

Di cosa sono fatti I superconduttori?

Materiali Superconduttori

Come funziona la superconduttività? Spiegazione della superconduttività

A cosa serve la superconduttività? Applicazioni della superconduttività

Possiamo lavorare con I superconduttori a

scuola? Attività con I

superconduttori

Cos’è la superconduttività? Introduzione alla superconduttività

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Magnetismo Questo modulo collega le forze magnetiche facilmente osservabili al concetto di campo magnetico. Alcuni materiali sono magnetici per natura, altri non lo sono. I materiali magnetici a volte vengono chiamati magneti, e i magneti sono circondati da campi magnetici. L'utente può studiare i campi magnetici associati a fili e spire. Il modulo mostra anche le diverse proprietà magnetiche dei materiali ferro-, para- e diamagnetici.

campo magnetico intorno a fili rettilinei

campomagnetico intorno a magneti

campo magnetico intorno a spire

Forze Magnetiche

La Forza di Lorentz su un filo

Dia-, para- e ferromagnetismo

Prerequisiti Per poter lavorare con il materiale SUPERCOMET2 gli allievi devono essere in grado di: 1-riconoscere l'esistenza di una forza in natura chiamata magnetismo, che i magneti hanno dei poli, e che i magneti si attraggono e respingono l'uno all'altro a distanza. 2-riconoscere che i campi magnetici sono delle aree intorno e dentro un magnete dove le forze magnetiche si possono sentire. 3-riconoscere che le linee del campo magnetico si dirigono verso ed escono dai poli del magnete. 4-riconoscere che una corrente elettrica in un filo creerà un campo magnetico intorno al filo. 5-riconoscere i concetti base sui circuiti elettrici. Obiettivi d'apprendimento Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi devono essere in grado di:

Conoscenza riconoscere che la Terra possiede un campo magnetico

• riconoscere che elettricità e magnetismo sono due facce dello stesso fenomeno • riconoscere che un campo magnetico è sempre associato ad una corrente elettrica • riconoscere che il campo magnetico intorno ad un solenoide è simile a quello prodotto intorno ad un

magnete. • riconoscere le diverse proprietà dei materiali paramagnetici, diamagnetici e ferromagnetici. • riconoscere che un materiale ferromagnetico può essere magnetizzato da un campo magnetico

esterno e può perdere la magnetizzazione se viene riscaldato a sufficienza.

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Comprensione • descrivere il significato dell'esperimento Orsted. • capire il significato dell'esperimento Ampere. • spiegare le condizioni della forza nell'esperimento Pohl. • descrivere come la forma di un campo magnetico intorno ad un solenoide è correlato a quello di un

filo. • descrivere il significato dell'uso di nuclei ferromagnetici negli elettromagneti . • dare una semplice spiegazione della teoria del magnetismo.

Abilità • applicare la regola della mano destra per determinare la direzione di un campo magnetico intorno ad

un filo. • disegnare i campi magnetici intorno a dei magneti con forme geometriche comuni (magneti a bare,

a ferro di cavallo).

• applicare il concetto dei domini di Weiss per spiegare le proprietà dei magneti

Test sulle conoscenze • Dare due proprietà diun magnete!

• Dare due applicazioni di un elettromagnete!

• cosa ci dice l'esperimento Orsted?

• Disegnare I magneti he possono generare I campi mostrati!

• come può essere usato l'esperimento di Ampere per la definizione dell'unità di corrente elettrica?

• quali variabili producono effetti sull'intensità della forza nell'esperimento di Pohl?

• con l'esperimento di Pohl si può simulare un tipo di motore. Descrivi come

• dare due esempi del legame tra elettricità e magnetismo

• quale differenza hai notato tra le linee di campo del campo magnetico prodotto da un filo e quelle prodotte da un magnete?

il campo magnetico è descritto da un vettore induzione magnetica B, che relazione pensi che questo vettore abbia con le linee di campo? E che relazione ha il vettore B con l'intensità di forza sentita da un filo di lunghezza l, nel quale scorre una corrente i, immerso in un campo magnetico e che forma un angolo con le linee di campo del campo stesso?

• hai notato che c’è una forte analogia tra le linee di campo generate da un solenoide e quelle generate da un magnete? Puoi fare un commento circa queste linee di campo? Quale sarà la loro direzione? (giustificare la risposta)

Formattati: Elenchi puntati e


numerati

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• qual è la peculiarità delle linee di campo che suggeriscono che il campo magnetico dentro un solenoide si può considerare omogeneo (uniforme)?

• spiegare qual è la direzione di un campo magnetico applicando la regola della mano destra.

• descrivere le varie proprietà dei materiali paramagnetici, diamagnetici e ferromagnetici.

• pensi che un corpo ferromagnetico sarà attratto o respinto da un magnete? e un corpo diamagnetico? (giustificare le risposte)

• considera il comportamento dei materiali ferromagnetici e magnetici (magneti) quando si avvicinano ad un magnete. Prova l'esperimento sia a casa che in laboratorio usando materiali fatti da diverse sostanze (legno, gomma, acciaio, alluminio, rame, altri magneti) ed annotare le somiglianze e le differenze. Quali ipotesi si possono formulare in relazione a quanto è stato osservato?

• come può un pezzo d'acciaio essere trasformato in un magnete? Dare due modi in cui il magnete può essere distrutto!

• perchè si usano nuclei di materiali ferromagnetici negli elettromagneti?

• spiegare l'origine del magnetismo nell'acciaio applicando il concetto dei "domini di Weiss".

• quali tipi di metalli diventano superconduttori quando vengono raffreddati?


numerati


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Induzione elettromagnetica Questo modulo usa le animazioni per collegare i fenomeni del magnetismo e dell'elettricità. Magneti e spire possono essere usati per trasferire energia dal campo magnetico al flusso di una corrente elettrica con un processo chiamato induzione. Questo è simile ad un campo magnetico creato dalle cariche elettriche in movimento in una corrente elettrica. I due fenomeni si possono osservare nei trasformatori.

• induzione dovuta a movimento • induzione dovuta a variazione di flusso • proporzionalità del flusso, la legge di

Lenz • applicazioni dell'induzione

Prerequisiti Per poter lavorare con SUPERCOMET2 gli allievi dovranno essere in grado di: 1-usare i concetti di campo magnetico, forza magnetica, magnetismo. 2-riconoscere che un campo elettrico circonda ogni particella carica. 3-riconoscere che gli elettroni si muovono attraverso un conduttore metallico. 4-riconoscere che il magnetismo e l'elettricità sono due facce dello stesso fenomeno. 5-riconoscere che una corrente elettrica crea un campo magnetico. Obiettivi di apprendimento Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di: Conoscenze

• usare i termini induzione, bobina, circuito, corrente, flusso magnetico, generatore, rotore, stativo, dinamo.

• identificare qualche applicazione delle bobine induttive nella tecnologia di ogni giorno( es. trasformatori, generatori)

Comprensione

• descrivere il fenomeno dell'induzione • descrivere come la corrente continua viene generata in termini di induzione, magnetismo, bobine e

rotazione • descrivere come la corrente continua può essere trasformata da un voltaggio in uno diverso

attraversando un trasformatore

Test sulle conoscenze

• qual è la definizione del flusso del vettore induzione magnetica? Per favore, specificare il significato dei simboli usati, ed illustrare la risposta con un diagramma. Nel sistema internazionale delle unità, l'unità di flusso viene chiamata Weber(Wb). Qual è la relazione tra Wb e Tesla?

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• considerare un solenoide, non collegato ad un generatore di corrente. In quale delle seguenti situazioni la corrente viene generata nel solenoide:(i)quando il flusso all'interno del solenoide è costante, (ii) quando questo aumenta; o (iii) quando decresce?

• in un generatore, se invece di ruotare la bobina intorno al magnete, il magnete viene ruotato intorno alla bobina, ci sarà ancora una corrente indotta all'interno della bobina? Per favore giustificare la risposta.

• cos'è la legge di Lenz? • un trasformatore è un apparecchio che trasforma corrente continua in corrente alternata e

viceversa? Se cosi, spiegare il principio di funzionamento, se non è cosi, specificare il ruolo dell'apparecchio.

• ora sappiamo che una corrente elettrica genera un campo magnetico e che un campo magnetico può generare una corrente elettrica. Quali sono le somiglianze e le differenze tra i due?

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Conduzione eletrica Questo modulo usa animazioni per visualizzare il fenomeno della conduzione elettrica. Alcuni materiali conducono l'elettricità, altri sono isolanti. Alcuni sono semi conduttori, e altri sono superconduttori.

• tipi di conduttori • particelle e modello di Bohr • velocità di spostamento • la legge di Ohm • fattori di resistenza • resistenza e temperatura

Prerequisiti Per poter lavorare con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di: 1-usare i concetti di elettricità, corrente elettrica 2-capire che un dato corpo è caricato quando ha un eccesso o una mancanza di elettroni. 3-descrivere un atomo usando il modello di shell 4-riconoscere una proporzionalità diretta o inversa tra le quantità 5-usare i termini temperatura e calore Obiettivi di apprendimento Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di: Conoscenza

• usare i termini conduttore, semi conduttore, resistore, isolante, sezione trasversale, resistenza, coefficiente di temperatura, distanza libera del mezzo, reticolo, generatore, elettroni, ioni, perdita di potenza.

• riconoscere che gli elettroni e gli ioni sono dei portatori di carica.

• identificare alcuni conduttori ben conosciuti, isolanti e semi conduttori Comprensione

• descrivere la relazione tra energia cinetica del reticolo (temperatura del materiale) e resistenza. • descrivere la relazione tra potenziale, corrente e resistenza (prima legge di Ohm) • descrivere la relazione tra resistenza, sezione, lunghezza e resistenza del materiale (legge sulla

resistenza o seconda legge di Ohm)

Abilità • usare la prima legge di Ohm nella sua forma algebrica • usare la legge di Joule per calcolare la perdita di potenza nelle linee elettriche

• calcolare la resistenza di un pezzo di materiale (conduttore) usando i parametri sezione, lunghezza e resistenza del materiale.

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Argomenti di discussione suggeriti 1-quanta potenza viene persa attraverso la dissipazione di calore nelle linee elettriche prima che la potenza sia disponibile per arrivare agli utenti nelle spine dei muri? 2-come questa perdita di potenza si può paragonare alla quantità di potenza usata in media nelle case? 3-quanta potenza può essere risparmiata aumentando il voltaggio nelle linee elettriche di alta capacità? Prova sulle conoscenze

• cos'e la corrente elettrica? • definire l'intensità di corrente. Quali sono le sue unità? • come possiamo classificare i materiali basandoci sul loro comportamento rispetto ad una corrente

elettrica? • perchè i metalli sono buoni conduttori? • convenzionalmente, qual è la direzione della corrente elettrica? • cosa serve per produrre una corrente elettrica tra due punti? • definire la resistenza elettrica R tra due punti di un conduttore. • da quali fattori intrinseci di un pezzo di conduttore dipende la sua resistenza elettrica? Esprimere R

in funzione di quei fattori. • considera un pezzo di filo di rame di 5 cm di lunghezza e 0,5 mm di spessore. La resistenza del

rame è 1,7.10-8 Ohm.m. Se c'è una differenza di potenziale di 4 V tra le due punte del pezzo di filo, qual è l'intensità della corrente attraverso di esso?

• cos'è la legge di Ohm?

• tutti i materiali obbediscono alla legge di Ohm? Se alcuni di loro non lo fanno, perchè? • disegnare un diagramma (con i simboli standard per rappresentare gli elementi di un circuito

elettrico) di un circuito con una batteria, un resistore, un amperometro per misurare la corrente che scorre nel resistore ed un voltmetro per misurare la differenza di potenziale tra alle estremità del resistore.

• questo grafico rappresenta, per due conduttori A e B, la differenza di potenziale ∆V alle estremità, in funzione dell'intensità di corrente I. Cosa puoi dire riguardo ad ognuno dei due?

• quando una corrente elettrica attraversa un pezzo di conduttore, lo riscalda. Dove avviene il trasferimento di energia?

• scrivere la legge di Joule per la quantità di calore Q generata in un pezzo di conduttore in funzione dell'intensità di corrente I che lo attraversa, la sua resistenza R e l'intervallo di tempo considerato ∆T.

• se la temperatura di un pezzo di conduttore aumenta, quale effetto avrà sulla sua resistenza? Qual è la spiegazione di questo cambiamento?

∆V

I

A

B

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Storia della superconduttività Questo modulo presenta gli scienziati che hanno scoperto e sviluppato le teorie sulla superconduttività, e cosa hanno fatto per ricevere il premio Nobel per le loro ricerche. Si fornisce una breve introduzione dei team attuali di scienziati che lavorano sulla superconduttività. E’ discussa l'importanza dell'aumento della temperatura critica nel 1987, e perchè i superconduttori di alta temperatura avranno un profondo impatto nella società.

• scoperta della superconduttività • modelli per la superconduttività • teoria della superconduttività • la superconduttività nei materiali organici • la superconduttività nei materiali ceramici • applicazioni in corso di sviluppo

Prerequisiti Per lavorare con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di: 1-riconoscere che esiste un fenomeno chiamato superconduttività 2-riconoscere che la superconduttività è correlata all'elettricità e al magnetismo 3-riconoscere le caratteristiche della superconduttività (assenza di resistenza, assenza di permeabilità magnetica) 4-riconoscere la necessità di raffreddare i materiali superconduttori sotto la loro temperatura critica

5-riconoscere che le linee di campo magnetico si dirigono verso e vengono irradiate da i poli del magnete.

Obiettivi di apprendimento Basandosi sul lavoro con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di: 1-riconoscere alcune delle scoperte importanti e teorie relative alla superconduttività. 2-riconoscere gli scienziati e la collaborazione che è dietro a queste scoperte e teorie. 3-riconoscere gli sforzi attuali per migliorare la conoscenza sperimentale e la teoria della superconduttività. 4-descrivere come gli scienziati hanno interpretato i loro dati sulla superconduttività. 5-argomentare come le teorie della superconduttività(BCS e HTS) sono correlate all'evidenza sperimentale. 6-discuttere se lo sviluppo della superconduttività fu guidata dagli esperimenti o dalla teoria Prova sulle conoscenza

• come fece Heike Kamerlingh Onnes a scoprire la superconduttività nel 1911? • perché la superconduttività fu scoperta per prima nel mercurio (Hg)? • perché Onnes ha dovuto usare l'elio liquido per raffredare il mercurio? • perché l’azoto liquido viene usato per raffreddare i superconduttori ad alta temperatura? • perché ci sono voluti cosi tanti anni dopo la scoperta dei superconduttori a bassa temperatura prima

che qualcuno scoprisse i superconduttori ad alta temperatura? • qual è l'idea base della "teoria BCS"? • dare due applicazioni di superconduttori in diversi campi.

Heike Kamerlingh Onnes http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Kamerlingh_portret.jpg

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Laboratori virtuali suggeriti Scoprire la superconduttività in diversi materiali Ripetere lo storico esperimento di Heike Kamerlingh Onnes con differenti materiali e agenti raffreddanti diversi. Misurare la resistenza elettrica in funzione della temperatura. Misurare la permeabilità magnetica nei diversi materiali Ripetere lo storico esperimento con cui si scoprì l'effetto Meissner. Usare diversi materiali e agenti raffreddanti, e misurare la permeabilità magnetica in funzione della temperatura. Attività di apprendimento suggerite Queste attività di apprendimento possono essere collegate a certe attività o situazioni per l'apprendimento: 1-discuttere"cosa sarebbe successo se la scoperta della superconduttività fosse accaduta domani e non nel 1911? 2-discuttere la possibilità che la superconduttività non fosse ancora stata scoperta e perchè? 3-discuttere "cosa sarebbe successo se la scoperta del ceramico HTS fosse avvenuta prima della scoperta del metallico LTS? 4-discuttere"cosa sarebbe successo se la scoperta del HTS fosse avvenuta domani e non nel 1986? 5-discuttere la possibilità che l'HTS non fosse ancora stata scoperta e perchè? 6-discutere"cosa sarebbe successo se la teoria BCS del LTS fosse stata presentata prima del LTS stesso? 7-immaginare se la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura fosse avvenuta domani. 8-leggere libri o articoli sulla ricerca e sui ricercatori della superconduttività. .

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Introduzione alla superconduttività Questo modulo introduce i lettori al concetto di superconduttività e a come sia correlato -ed esteso- all'elettricità e al magnetismo. Si farà riferimento al principale fenomeno della superconduttività, le proprietà delle differenti forme di superconduttori e le spiegazioni teoriche.

• resistenza zero • temperatura critica • diamagnetismo perfetto • levitazione stabile

Prerequisiti Per lavorare comodamente con "introduzione alla superconduttività", gli allievi dovranno già: 1-avere una conoscenza consolidata di elettricità e magnetismo. 2-saper distinguere tra conduttori, semiconduttori e isolatori e dare un esempio per ciascuno di questi. 3-saper spiegare la relazione tra resistenza e temperatura in un conduttore normale, inclusa una comprensione di base sulla vibrazione dei reticoli e dell'energia interna. Obiettivi di apprendimento Relativi al fenomeno Alla fine di questo modulo gli allievi dovranno:

• essere affascinati dal comportamento dei superconduttori • saper descrivere fenomeni elettrici e magnetici correlati con i superconduttori. • saper confrontare il comportamento dei superconduttori con quello dei semi conduttori e i conduttori

normali. • saper identificare le differenze tra magneti normali e le proprietà magnetiche dei superconduttori. • saper dare una definizione dei seguenti termini correlati a fenomeni di superconduttività: resistenza,

materiali ceramici, materiali rari, temperatura critica, campo magnetico critico, densità di corrente critica, diamagnetismo, transizione di fase, lievitazione, effetto Meissner, pinning, superconduttori Tipo I e Tipo II, superconduttori ad alta e bassa temperatura;

• avere una comprensione adeguata dei fenomeni di superconduttività per essere capaci di spiegare perchè i superconduttori sono usati in macchine MRI per lo scanning del cervello negli ospedali e in treni a levitazione magnetica.

Relativo alla teoria Alla fine di questo modulo gli allievi devono:

• saper riconoscere i problemi teorici che la superconduttività presentava (e che continua a presentare) agli scienziati.

• saper usare le conoscenze attuali di elettricità ed elettromagnetismo, vibrazione del reticolo ed energia

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interna, per capire alcune delle spiegazioni; • saper riconoscere che le regole della meccanica quantistica dettano il comportamento alle basse

temperature e che alcune spiegazioni della superconduttività non possono essere fatte in termini semplici;

• stare attenti che i seguenti termini sono usati nelle spiegazioni della superconduttività: velocità di spostamento degli elettroni, vortice di corrente, profondità di penetrazione del campo magnetico, coppia di Cooper, fononi, vortici, fermioni, bosoni.

Prova sulle conoscenze 1-in quante classi possono essere divisi le interazioni tra diversi tipi di materiali e un magnete? in che modo differiscono? 2-in un circuito chiuso una corrente indotta viene generata ogni volta che c'è una variazione di flusso magnetico all'interno di esso, e il fenomeno dura finchè c'è una variazione di flusso. a- questa frase è sempre corretta? b- giustifica la risposta 3-nei conduttori e nei metalli in generale, la resistenza varia con la temperatura. Quando la temperatura si alza, la resistenza aumenta. Perchè? 4-per superconduttività s'intende la variazione della resistenza elettrica che certi materiali mostrano al di sotto di una certa temperatura critica Tc. La transizione di un materiale ad uno stato di superconduttore è un processo reversibile o irreversibile? Giustifica la risposta. 5-pensi che un normale conduttore magnetizzato -portato ad uno stato di "conduttore perfetto"(T<Tc)- e un superconduttore immerso in un campo magnetico e poi portato al di sotto della temperatura critica si comportino allo stesso modo? (Notare che un superconduttore al di sotto della temperatura critica, immerso in un campo magnetico, diventa perfettamente diamagnetico). Giustifica la risposta. 6- perchè il campo elettrico interno al superconduttore, raffreddato al di sotto della temperatura critica, è uguale a zero? 7-come possono i superconduttori essere divisi in gruppi, e come sono caratterizzati? 8-quali sono le differenze critiche tra lo stato di superconduttore e un normale stato di un materiale che influenzano il loro comportamento? 9-i grafici (a) e (b) qui sotto illustrano la relazione tra resistenza e temperatura per conduttori e superconduttori. a-quale grafico rappresenta l'uno e quale l'altro? b-qual è la differenza nella relazione tra resistenza e temperatura in un superconduttore ed in un conduttore normale?

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10-in quali settori commerciali vengono impiegati i superconduttori? 11-quali difficoltà si trovano nella fabbricazione dei componenti tecnologici che utilizzano superconduttori?

Applicazioni della supercondutività Questo modulo discute dell’impatto della superconduttività e la tecnologia dei superconduttori sulla società, con le attuali applicazioni alla ricerca su piccola e grande scala, propulsione, medicina e industria. Inoltre il modulo discute sulle possibilità delle future applicazioni relative alla produzione, immagazzinamento e trasporto dell'energia, cosi come propulsione/trasporto con barche, macchine, aerei e treni. Referenze ai moduli Introduzione e storia della superconduttività.

• trasporto di energia più veloce, pulito, sicuro • immagazzinamento di energia pulita • produzione di energia pulita • immagini mediche più veloci e meno dolorose • misure scientifiche più precise • misurazione dell'uso dell'energia • comunicazioni wireless più effecienti

Prerequisiti Per lavorare con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi dovranno essere in grado di:

• riconoscere che esiste un fenomeno chiamato superconduttività • riconoscere che la superconduttività è correlata all'elettricità e magnetismo • riconoscere le caratteristiche della superconduttività(resistenza zero, permeabilità magnetica zero) • riconoscere la necessità per i materiali superconduttori di essere raffreddati al di sotto della loro

temperatura critica • riconoscere che le linee di campo magnetico si dirigono a, e si irradiano da, i poli di un magnete.

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Obiettivi di apprendimento Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di: 1-riconoscere alcune delle più importanti applicazioni attuali su larga scala della tecnologia della superconduttività a-commerciale (motori elettromagnetici, scanners) b-scientifica(acceleratore di particelle) c-medica (MRI) d-LTS a confronto con HTS (quale tipo è usato, dove e perchè) 2-riconoscere alcune delle più importanti applicazioni attuali su piccola scala della tecnologia della superconduttività a-commerciali(ce ne sono?) b-scientifica (strumentazione di Josepheson) c-medica (SQUID) d-LTS a confronto con HTS (quale tipo è usato, dove e perchè) 3-descrivere come la superconduttività stia migliorando la vita ordinaria della gente 4-descrivere come la superconduttività stia aiutando la ricerca scientifica e altre specialità 5-riconoscere le aree più importanti dove si prevedono maggiori applicazioni, e ciò che richiedono necessariamente a-trasferimento energia (cavi SC) b-produzione energia (reattori di fusione) c-trasformazione dell'energia (elettromagneti, motori EM) d-trasporto (treni Maglev, elevatori spaziali, propulsione acqua EM) 6-riconoscere le sfide che bisogna affrontare prima che ci siano le future applicazioni. Prova sulle conoscenza 1-cos'è la levitazione magnetica? 2-cos'è la risonanza magnetica (nucleare) per immagine (MRI)? 3-perche i superconduttori sono meglio dei conduttori normali per alcune applicazioni? 4-come sono usati i superconduttori ad alta temperatura sulle stazioni base di telefonia mobile? 5-qual è la differenza tra applicazioni a larga scala e piccola scala?

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Attività di apprendimento suggerite Questi obiettivi di apprendimento possono essere collegati ad alcune attività o situazioni per l’apprendimento : 1-fare la dimostrazione della levitazione e discutere su come questa può essere usata ai fini pratici. 2-discutere sull'impatto che ha avuto nella società la scoperta della superconduttività. 3-discutere su come sarebbe il mondo se la superconduttività non fosse ancora stata scoperta. 4-discutere la possibilità che la superconduttività non fosse ancora stata scoperta. 5-discutere i possibili benefici ed effetti negativi di ciascuna delle applicazioni attuali. 6-discuttere sui possibili usi futuri, i loro pro e contro. 7-scrivere una storia su un mondo futuro nel quale le applicazioni HTS sono normali. 8-discutere la "storia futuristica" di un altro allievo. Può questo succedere veramente? Perchè/perchè no? 9-scrivere una recensione per la fondazione di un'agenzia, spiegando perchè la si fonda per eseguire un progetto scelto e descriverlo, es. per ricerche fondamentali o per lo sviluppo di una certa applicazione. 10-una volta che l'agenzia esiste, considera la recensione di un altro allievo. Ha lei/lui guadagnato denaro? Perchè/perchè no? Quali miglioramenti può fare lei/lui per guadagnare denaro (se lei/lui non ne hanno)?

Moderno scanner MRI http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Modern_3T_MRI.JPG

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Materiali superconduttori Questo modulo mostra come gli elementi metallici furono i primi materiali dei quali gli scienziati hanno scoperto proprietà superconduttive. Le differenze tra materiali superconduttori vengono spiegate in riferimento alle posizioni degli elementi rilevanti nel sistema periodico, e le loro proprietà chimiche e fisiche. La scoperta delle ceramiche superconduttrici, ossidi di rame, è discussa, e come la loro struttura del reticolo permette alla supercorrente di fluire con più facilità. Anche una breve spiegazione su come al giorno d'oggi non c'è una teoria appropriata che spieghi come i superconduttori ad alta temperatura lavorino. Infine è menzionata la scoperta di una lega metallica con una temperatura critica maggiore di ogni altro superconduttore di tipo I scoperto in precedenza, e come questo può avere effetti sulla teoria BCS.

• quali materiali sono superconduttori? • proprietà dei superconduttori • superconduttori a bassa e alta temperatura • superconduttori di tipo I e tipo II • materiali che non sono superconduttori • struttura di ossido di rame ceramico

Superconducting chip used by NIST to define the volt. The chip contains an array of 3020 Josephson junctions and operates at liquid Helium temperatures. Microwave energy is fed to the junctions through the fin-guide on the left. http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:NISTvoltChip.jpg

Giunzione Josephson http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Josephson_junction_real.jpg

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Prerequisiti Per lavorare con il materiale SUPERCOMET2, gli allievi devono essere già in grado di: 1-riconoscere che esiste un fenomeno chiamato superconduttività 2-riconoscere che la superconduttività è correlata all'elettricità e magnetismo. 3-riconoscere le caratteristiche della superconduttività (resistenza zero, permeabilità magnetica zero) 4-riconoscere il bisogno dei materiali superconduttori di essere raffreddati al di sotto della loro temperatura critica. 5-riconoscere che le linee di campo magnetico si dirigono verso, e vengono irradiate da, i poli di un magnete.

Obiettivi di apprendimento Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di: 1-riconoscere il fatto che quasi tutti i metalli sono LTS 2-riconoscere il fatto che i metalli nobili non sono LTS 3-riconoscere il fatto che HTS sono ceramiche e quindi isolanti al di sopra della loro Tc 4-riconoscere alcuni importanti composti/leghe superconduttori come MgB2, YBCO e BiScCO 5-riconoscere i processi di produzione per ceramica HTS e composti metallici LTS 6-riconoscere alcune importanti sfide relative alla ricerca e applicazione dei materiali: a-testare le proprietà dei superconduttori di un gran numero di diversi materiali b-fare un cavo di un materiale ceramico c-i necessari sistemi di raffreddamento richiedono energia d-riscaldamento dovuto ad eccessiva corrente, campo magnetico o temperatura 7-riconoscere che alcuni superconduttori sono organici, e come possono essere utili 8-riconoscere le diverse proprietà d'importanti categorie di superconduttori a-stati non cuprate b-fase A15 c-fase Chevrel d-composti di fermioni pesanti e- Fullerene organico base d-sali organici g-perovskiti non cuprate h-perosvkiti cuprate

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Prova sulle conoscenze 1-possono tutti i materiali essere superconduttori? 2-i materiali superconduttori lo saranno per tutto il tempo? 3-cosa fa diventare superconduttore un materiale? 4-qual è la differenza tra un superconduttore ed un materiale superconduttore? 5-cosa ha di speciale un metallo come l'oro (Au), rame (Cu), argento (Ag) e nickel (Ni), a partire dal fatto che non possono diventare superconduttori del tutto? 6-quali caratteristiche hanno in comune questi elementi: alluminio (Al), piombo (Pb), mercurio (Hg), stagno (Sn)? 7-perche la teoria BCS spiega come funzionano i superconduttori a bassa temperatura? 8-perche la teoria BCS non spiega come funzionano i superconduttori ad alta temperatura? 9-perche i superconduttori a bassa temperatura possono essere di tipo I o tipo II, mentre i superconduttori ad alta temperatura sono solo del tipo II? 10-perche i superconduttori a bassa temperatura sono usati negli acceleratori di particelle, invece dei superconduttori ad alta temperatura?

Unit cell of Bi-2212, un superconduttore ad alta temperatura http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Bi2212_Unit_Cell.png

Un piccolo esempio di superconduttore ad alta temperatura, Bi-2223 http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:BI2223-piece3_001.jpg

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Spiegazione della superconduttività Questo modulo segue ed estende il modulo "introduzione alla superconduttività". Il fenomeno cosi come le proprietà dei superconduttori saranno spiegati e sostenuti dalle teorie, è questo il passo verso l'osservazione al microscopio.

• diversi tipi di esperimenti sulla levitazione • visione al microscopio dell'effetto Meissner • visione al microscopio dei flussi pinning • visione al microscopio dell'effetto Josephson • la teoria BCS per i superconduttori a bassa

temperatura Prerequisiti Per lavorare attraverso "spiegazione della superconduttività", gli allievi devono aver raggiunto gli obiettivi di apprendimento del modulo "introduzione alla superconduttività" mostrata nella p. 40 Obiettivi di apprendimento Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di: 1-distinguere i diversi tipi di esperimenti sulla levitazione. 2-descrivere la sequenza dell'esperimento Meissner in dettaglio. 3-spiegare da un punto di vista microscopico l'effetto Meissner-Ochsenfeld 4-riconoscere che l'effetto Meissner non può causare una levitazione stabile. 5-decrivere l'esperimento di pinning. 6-spiegare l'effetto pinning usando linee di vortice magnetico e la quantiazione di flusso. 7-elaborare l'effetto Josephson come una base per gli SQIDs. 8-riconoscere la teoria BCS come una spiegazione per i superconduttori a bassa temperatura. 9-riconoscere che attualmente non esiste una teoria di successo per i superconduttori ad alta temperatura. Prova sulle conoscenza 1-nominare tre tipi diversi di esperimenti di levitazione usando magneti! 2-rappresentare il materiale per un esperimento Meissner. Descrivere le procedure passo dopo passo! 3-come è il perfetto diamagnetismo correlato alla levitazione di un superconduttore? 4-perchè l'effetto Meissner causa una levitazione non stabile? 5-pensa al raggiungimento della levitazione stabile usando l'effetto Meissner. Come cambieresti la configurazione dell'esperimento? 6-rappresentare il materiale per un esperimento sull'effetto pinning. Descrivere le procedure passo dopo passo! 7-spiegare l'effetto pinning usando una visione microscopica della superconduttività! 8-un magnete girevole può venire ruotato sopra un superconduttore. Spiegare il fenomeno! 9-cosa sono le giunzioni Josephson? 10-come possono le coppie Cooper causare una resistenza zero al di sotto della temperatura critica? 11-nominare qualche candidato per una teoria sui superconduttori ad alta temperatura!

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Attività con superconduttori Questo modulo mostra ulteriori entusiasmanti attività con i superconduttori. Sebbene richiedano molte abilità tecniche, è possibile allestirle a scuola. Produrre il proprio superconduttore può essere una sfida affascinante in particolare per gli allievi competenti ed interessati alla fisica. Misurare la resistenza zero richiede un lavoro sperimentale preciso, forse un incoraggiamento per gli allievi più abili.

• precauzioni per la sicurezza • fare il proprio superconduttore • esperimenti sulla levitazione • misura della resistenza zero

Prerequisiti Per lavorare con questo modulo gli allievi dovranno possedere una conoscenza strutturale dei contenuti coperti dai moduli precedenti, in particolare sui "materiali superconduttori". Obiettivi di apprendimento Basandosi sul lavoro in questo modulo, gli allievi dovrebbero essere in grado di: 1-prestare attenzione alle precauzioni di sicurezza per lavorare con azoto liquido e magneti forti. 2-riconoscere i processi di produzione per ceramica HTS. 3-capire la necessità di questo processo per avere un HTS che funzioni. 4-spiegare come testare la qualità di un superconduttore prodotto. 5-descrivere una misura della temperatura di transizione di un superconduttore. 6-spiegare il metodo delle quattro punte di contatto in questa misura Prova sulle conoscenze 1-quali sono i rischi nella manipolazione dell’azoto liquido? 2-quali sono le precauzioni di sicurezza da seguire in questo caso? 3-quali ingredienti servono per fare il proprio superconduttore? 4-descrivere il processo di fabbricazione passo dopo passo! 5-come puoi testare la qualità di un superconduttore prodotto? 6-perche non è possibile determinare la scomparsa della resistenza con una "normale" misurazione U/I? 7-rappresentare i materiali per l’esperimento col metodo dei quattro punti di contatto! 8-spiegare il seguente diagramma con le tue parole!

Temperatura/K

Resistenza/Ω

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 105.0

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Esempi di attività Per favore notare che tutte le attività seguenti dovranno essere riadattate per l'uso in classe. Sono solo dei suggerimenti, per dare delle idee e per inserirle nel proprio insegnamento. Il team SUPERCOMET2 vi dà il benvenuto con queste attività -per favore inserisca i suoi commenti nel sito SUPERCOMET2 all'indirizzo web www.supercomet.eu.

Effetti della temperature sulla resistenza di metalli e superconduttori Data : Classe: Durata della lezione: 110 min Obiettivi di apprendimento Alla fine della lezione, gli allievi dovranno:

• capire l'effetto dei cambiamenti di temperatura nella resistenza dei metalli. • sapere che i superconduttori si comportano diversamente da altri conduttori. • capire la differenza tra superconduttori ad alta temperatura e superconduttori a bassa temperatura. • essere in grado di riconoscere, e disegnare, un grafico in cui si rappresenta la temperatura e la

resistenza per i metalli e per i superconduttori. • capire il significato di Temperatura Critica Massima.

Materiali e strumentazione richiesti • un numero sufficiente computer in modo che ce ne sia uno per ogni tre allievi • LED • il software SUPERCOMET2 installato su tutti i computer • azoto liquido e contenitori adatti • fili di rame con degli attacchi in piombo • filo superconduttore YBCO con attacchi in piombo • 2 batterie con sostegno • lampada da 3 Volt con sostegno • voltmetro • computer collegato a proiettore e lavagna interattiva

Considerazioni di sicurezza Manipolare l’azoto liquido è pericoloso. Assicurarsi che si prendano le dovute precauzioni.

Tempo contenuti Principale tema da considerare: quali effetti ha la temperatura sulla resistenza in diversi tipi di materiali? Revisione: specificare la resistenza dei diversi tipi di materiali.

5 min Chiedere agli allievi di fare delle previsioni su cosa accadrà quando il LED viene raffreddato in azoto liquido. Dimostrare questo processo calando attentamente il LED in azoto liquido per 10 secondi. Successivamente vedere cosa succede. Chiedere agli allievi di spiegare ciò che hanno visto.

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20 min Chiedere agli allievi di fare delle previsioni per quanto riguarda il grafico temperatura e resistenza sul grafico che si otterrà mano a mano che i metalli si raffreddano. Un allievo dovrà rappresentare il grafico alla lavagna. Connettere le batterie, il semiconduttore, e il voltmetro al computer. Immergere il semiconduttore nell’azoto liquido per 10 secondi, successivamente estrarlo e lasciare che si riscaldi lentamente. Condividere i dati ottenuti con l'intero gruppo. Introdurre il coefficiente di temperatura. . 35 min In gruppi da quattro, chiedere agli allievi di usare le simulazioni SUPERCOMET2

per quanto riguarda potenziale e temperatura e, se necessario, l'utilizzo di internet, per rappresentare un grafico. Chiedere ad un allievo di rappresentare il grafico alla lavagna e di confrontarlo con i risultati ottenuti usando l’equazione..

50 min Chiedere ad un allievo per ogni gruppo di unirsi uno al gruppo A, uno al gruppo B,

uno al gruppo C, e un altro al gruppo D. Chiedere a ciascun gruppo di utilizzare i dati dal cd SUPERCOMET2 e da internet sulla resistenza specifica dei materiali e di scriverli alla lavagna per determinare la più alta temperatura critica (Tc) dei seguenti materiali:

Gruppo A Gruppo B Gruppo C Gruppo D Rame Mercurio YBCO Carbonio Argento Piombo BiSCCO Gomma Oro Neodimio Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Porcellana

Ciascun gruppo dovrà produrre un grafico che mostri la curva ottenuta e la più elevata temperatura critica stimata.

Dovranno poi considerare i valori dati per questi materiali nel cd SUPERCOMET2 e discutere sulle differenze.

70 min Ciascun gruppo dovrà produrre un grafico che mostri la curva ottenuta e la più elevata temperatura critica stimata. Dovranno poi considerare i valori dati per questi materiali nel cd SUPERCOMET2 e

discutere sulle differenze. 90 min L'insegnante chiederà ad un allievo di ciascun gruppo (A, B, C, D) di disegnare le

tre curve che si ottengono sulla lavagna e di scrivere la più elevata temperatura critica stimata e quella trovata. L'insegnante dovrà dare le conclusioni e rappresentare ciò che si è imparato nella lezione principale

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Tabella dati( fornisce anche gli assi per il grafico della temperatura e la resistenza)

Tipo di materiale Resistenza specifica

Tc stimata Tc trovata

Gruppo A Rame Argento Oro

Gruppo B Mercurio Piombo Neodimio

Gruppo C YBCO BiSCCO Tl2Ba2Ca2Cu3O10

Gruppo D Carbonio Gomma Porcellana

Lezioni sulla superconduttività suggerite

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Introduzione Fare dell'impercettibile il percettibile - l'arte della dimostrazione Molti fisici sono intrigati dalla superconduttività, in particolare quando vedono le dimostrazioni sulla levitazione e la sospensione. D'altra parte, gli allievi possono reagire in diversi modi: "è solo un magnete, vero"? Cosa c'è di spettacolare?. La cosa spettacolare è che non si tratta della stessa cosa; ad esempio, non è possibile far fluttuare un magnete al di sopra di un altro senza qualcosa che fermi la loro caduta. Una componente importante della lezione, sarà l'abilità dell'insegnante di fare apparire qualcosa di piccolo e in apparenza insignificante, come qualcosa di drammatico e provocante. Sicurezza-Solo dimostrazioni La parte pratica della lezione può essere svolta solo se l'insegnante mostra che le regole di sicurezza vietano agli allievi di manipolare l’azoto liquido (LN2). Per ragioni di sicurezza, nonchè pedagogiche, tutto il lavoro manuale da fare dovrà prima essere spiegato nel dettaglio prima della manipolazione. Gli insegnanti che seguono i seminari relativi svolti da altri docenti, dovranno mettere in pratica le precauzioni necessarie per lavorare con l’azoto liquido. E’ FONDAMENTALE CHE GLI INSEGNANTI CONOSCANO, E SEGUANO, TUTTE LE PROCEDURE DI SICUREZZA PER LAVORARE CON IL NITROGENO LIQUIDO. Tempi Il tempo dipenderà dal livello della classe. Le dimostrazioni da sole possono impiegare circa 30 minuti. Una sequenza di attività di apprendimento si suggerisce e possono durare dalle due alle tre lezioni: gli insegnanti le possono adattare per adeguarsi alle circostanze. Sequenza di attività di apprendimento suggerite 1-proprietà elettriche dei superconduttori (utilizzando risorse secondarie: ad esempio, materiale portato dall'insegnante, libri, cd) 2-dimostrazioni con l’azoto liquido e compiti 3-ricerca utilizzando risorse secondarie 4-compiti a seguire 5-relazione su ciò che si è trovato e chiarimenti da parte del docente Una sequenza possibile può essere: Lezione A-parte 1: lezione B-parti 2, 3 e 4 lavoro a casa: continuare con la parte 4; lezione C-parte 5 Ordinazioni e preparazione Kits e materiali sulla dimostrazione dei superconduttori: vedere http://www.superconductors.org/Play.htm Le dimostrazioni possono essere eseguite con il kit base. Comunque la compagnia possieda una grande quantità di kit per la misura della temperatura critica, della corrente critica e dei campi magnetici critici. Si sa anche che l’azoto liquido viene usato negli ospedali, università e industrie vicine ad ogni città. Cercare un fornitore che consegnerà piccole quantità o che fornisce il materiale ad un ospedale locale o università. Non ne serve più di un litro. Gli insegnanti dovranno conoscere il contenuto del cd in quanto questa è la principale risorsa secondaria per la propria ricerca degli allievi. Altre risorse quali siti internet adeguati e libri di testo dovranno essere selezionati in precedenza. Ricordare le precauzioni di sicurezza. Terminologia Tecnicamente, non si deve chiamare superconduttore un materiale finchè questo non viene raffreddato al di sotto della sua temperatura critica. Comunque, abbiamo adottato per convenzione di riferirci ai dischi utilizzati nella dimostrazione come "dischi superconduttori" anche se non sono superconduttori finchè non si

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trovano al di sotto della temperatura critica, è più facile di dire "il disco che diventa superconduttore quando viene raffreddato al di sotto della sua temperatura critica" ogni volta che vogliamo fare riferimento ad esso.

Dettagli Parte 1 Introduzione alle proprietà elettriche dei superconduttori Esiste materiale a sufficienza nel cd per preparare una breve introduzione alle proprietà elettriche dei superconduttori. Ci sono delle idee per confrontare i grafici della resistenza e temperatura per un conduttore ordinario e per un superconduttore - gli allievi possono individuare la rapida caduta a zero della resistenza e notare ciò che succede alla corrente quando questo evento accade (la loro reazione istintiva sarà quella che suggerisce che diventerà infinito -ma chiaramente non è cosi- possono riflettere su perchè non è così). I fattori limite (corrente critica e campo magnetico critico) possono anche essere discussi a partire da grafici disponibili nel cd. Se gli insegnanti posseggono i kit più grandi possono dimostrare lo stato a "resistenza zero". Gli insegnanti dovranno adottare un approccio storico e parlare di come Onnes ha svolto l'esperimento e del perchè abbia dovuto farlo molte volte perchè non credeva a ciò che vedeva - pensava infatti che ci fosse qualcosa di non funzionante nell’apparato sperimentale! Un punto di partenza diverso è un video sul treno Maglev oppure di uno scanner in un ospedale – dicendo che queste due situazioni dipendono dalla scoperta della superconduttività. Tempo suggerito: 30 minuti Parte 2 Dimostrazioni dell'insegnante e temi da approfondire. Le dimostrazioni riguardano "uno strano fenomeno elettrico e magnetico" che accade a basse temperature. I fenomeni sono:

• LN2 è molto freddo- ad esempio il reticolo e il rubber diventano fragili nel LN2 (senza coinvolgimento della superconduttività); il "salto" di un anello di alluminio su un elettromagnete quando viene fatta scorrere corrente e il salto aumenta dopo che l'anello è stato raffreddato in LN2 (senza coinvolgimenti della superconduttività);

• il cambiamento della luce in un emettitore di luce LED (senza coinvolgimenti della superconduttività);

• la levitazione di un magnete sopra un superconduttore; • la tendenza di un magnete in levitazione a "ritornare" nella posizione anche quando viene spostato

lateralmente, o a diventare stabile in altre posizioni; • la rotazione del magnete sopra il superconduttore; • il ritorno graduale di un disco superconduttore allo "stato normale", invece che un ritorno brusco; • la sospensione di un superconduttore su un magnete, con una separazione tra di essi (il

superconduttore riamane sospeso quando il magnete viene scosso delicatamente da lato a lato). Tempo suggerito: mezz'ora

. Temi da approfondire legati alle dimostrazioni I temi da approfondire devono incoraggiare gli allievi a chiedersi cosa stia accadendo, e cominciare a pensare a, ad esempio, perchè l'anello di alluminio"salta" molto più in alto quando viene raffreddato, quale forma di campo magnetico può generare il comportamento osservato nelle dimostrazioni sulla levitazione e la sospensione. perchè il LED cambia in LN2? Può essere interessante assegnare diversi compiti a gruppi diversi all'interno della classe. Tempo suggerito: 10 minuti

. Parte 3 Ricerca da risorse secondarie

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Dopo aver lasciato che gli allievi svolgano queste attività basandosi sulle proprie conoscenze, alcuni input saranno necessari. possibili input possono essere: 1-un insieme di "consigli" o domande da parte del docente. 2-una serie di ricerche scelte accuratamente da effettuare in un libro di testo, con le pagine importanti segnalate. 3-spiegazione del docente-basata sui suggerimenti degli allievi. 4-uso del cd quando sorge una discussione sulle domande poste. Tempo suggerito: mezz'ora a lezione e un'ora in più nel lavoro a casa Parte 4 Compiti conseguenti -lavoro a casa-progetto di lavoro: 1-usare il cd per la verifica delle idee e per estenderle ulteriormente. 2-usare il cd per scrivere le proprie note su cosa si intende per corrente critica , campo magnetico critico e temperatura critica. 3-scoprire come i fenomeni correlati alla superconduttività vengono sviluppati come soluzioni tecnologiche a determinati problemi. 4-usare il cd per esplorare le spiegazioni ad un livello atomico. Il cd si adegua a ciò che può essere accessibile per gli allievi. Esso non contiene la matematica relativa alla fisica quantistica. 5-usare specifici siti internet per ampliare la ricerca. 6-confrontare spiegazioni sulla levitazione da tre fonti diverse-quali sono le somiglianze e le differenze nelle spiegazioni? (Questo lavoro può essere esteso a qualsiasi fenomeno ed è un esercizio utile per non credere sempre a ciò che si trova in rete o nei libri. Gli insegnanti potranno anche discutere sulle ragioni di questa differenza -una parte della quale proviene dal bisogno di semplificare un processo complesso per un gruppo di ascoltatori). 7-quando gli allievi diventano entusiasti sull'argomento in questione, essi possono fare ricerche non soltanto attraverso il cd e da siti scelti dai docenti, ma anche tramite una ricerca su Google in internet. Le seguenti frasi possono essere di utilità per la ricerca: "LED e azoto liquido", "effetto Meissner", "superconduttività". 8-se si ha l'accesso ad un kit grande sulla superconduttività, misurazioni elettriche sul superconduttore potranno essere effettuate. L'insegnante dovrà manipolare il LN2, ma gli allievi possono spiegare il disegno dei circuiti ed interpretare i risultati. Parte 5 Idee degli allievi e chiarimenti Gli allievi prepareranno delle presentazioni sulle proprie idee (poster, brevi discorsi, opuscoli, spiegazioni per futuri allievi-tutte queste sono forme possibili di presentazione). Si potrà chiedere ai gruppi di includere: "quello di cui siamo sicuri" "quello di cui ancora si dubita" Tempo suggerito: un'ora (dipende dal formato utilizzato)

Sarà necessario qualche input del docente-solo per rassicurare gli allievi che molte delle spiegazioni vanno oltre il loro attuale grado di conoscenza e che forse non possono essere capite del tutto. Consentire agli allievi l'utilizzo di un computer in gruppo per lavorare nelle loro rappresentazioni. Il seminario per gli insegnanti di SUPERCOMET2 contiene ulteriori informazioni sulle dimostrazioni. Per altre informazioni, visitare il sito www.supercomet.eu.

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Foglio di lavoro 1- Introduzione ai campi magnetici Nella stanza troverai un certo numero di magneti e fogli di carta coperti da filamenti di ferro. Questi filamenti di ferro consentono di vedere i campi magnetici creati da differenti tipi di magneti. Osserva il tuo insegnante per vedere come lei/lui utilizza i filamenti di ferro per mostrare il campo magnetico del magnete. Successivamente, in coppie, disegnare i campi magnetici che vedete nei seguenti magneti:

Quando hai finito di disegnare i campi magnetici, utilizzare il cd SUPERCOMET2 e osserva i campi magnetici generati da diversi magneti, confronta ciò che si è fatto con ciò che mostra il cd. I campi magnetici sono gli stessi? Se non è cosi, perché pensi che debbano essere diversi?

Esempio di foglio di lavoro sull’introduzione di magnetismo

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Foglio di lavoro 2- Elettromagneti, filamenti di ferro e bussole Eseguire lo stesso esercizio, ma questa volta utilizzando delle bussole per esaminare i campi magnetici creati intorno agli elettromagneti.

Confrontare i propri campi magnetici con quelli che si trovano nel cd SUPERCOMET2. sono gli stessi? Nota per l’insegnante: fare attenzione a quando la batteria si scalda e spegnere velocemente. È preferibile usare un alimentatore qui.

Esempio di foglio di lavoro sull’introduzione di ’elettromagnetismo

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SUPERCONDUTTIVITA’ – Schede stimolo per ragazzi Michela Braida, Marisa Michelini, Udine (I)

1 Interazioni Magnetiche

Hai un magnete, un ago magnetico, una calamita, un pezzo di magnetite, una moneta di ferro, una moneta di rame, una moneta di alluminio, un chiodo di ferro, graffette fermafogli in acciaio, un bottone di plastica, uno scontrino della spesa, una pallina da ping pong, uno stuzzicadenti, una sferetta di ferro. 1. EXPLORAZIONE DEL FENOMENO. Avvicina, uno alla volta, i diversi oggetti ad uno dei poli del

magnete e individua i diversi tipi di interazionex, cambia quindi il polo e ripeti l’esperimento.

Osservando cosa accade identifica diversi tipi di interazione tra il magnete e i diversi oggetti. 2.

OGGETTO TIPO DI INTERAZIONE

Ago magnetico

Calamita

Pezzo di magnetite

Moneta di ferro

Chiodo di ferro

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Moneta di rame

Graffette fermafogli in

acciaio

Moneta di alluminio

Bottone di plastica

Scontrino

Pallina da ping pong

Sferetta di ferro

Stuzzicadenti

3. Quali categorie di comportamento osservi?

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Illustrale.

A. _________________________________________________________________

B. _________________________________________________________________

C. __________________________________________________________________

__________________________________________________________________

4. Cosa determina I diversi tipi di comportamento? (materiale, tipo di oggetti, …)

________________________________________________________________

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5. Quando l’interazione è attrattiva, chi attrae?

Considera per esempio un magnete e dei fermagli nelle seguenti situazioni

A. Metti il fermaglio sul tavolo e avvicina il magnete

B. Metti il magnete sul tavolo e avvicina il fermaglio

È il magnete ad attirare il fermaglio o il fermaglio ad attirare il magnete? (Spiega)

___________________________________________________________________________

_____________________________________________________

6. Prevedi l’interazione tra un magnete e un oggetto ferromagnetic. Spiega.

________________________________________________________________

7. L’attrazione tra il magnete e il fermaglio avviene quando sono a contatto o solo vicini? Illustra

e spiega.

________________________________________________________________

8. Avvicina due fermagli o due chiodi che risultavano attratti dal magnete. Si attirano

reciprocamente? Sì No

9. Prevedi ciò che succeed avvicinando un magnete

________________________________________________________________

10. Descrivi cosa succeed e dai la tua spiegazione

________________________________________________________________

63

2 Linee di orientazione e direzione di partenza

Metti un foglio di acetato trasparente sotto ad un magnete e traccia con un pennarello sull’acetato

il suo profilo. Metti un gruppo di bussole intorno al magnete. Traccia con un pennarello le direzioni

di orientazione degli aghi delle bussole intorno al magnete: fai una linea continua tangente a tali

direzioni. Togli le bussole.

1. Nello spazio sottostante riproduci il magnete e la distribuzione degli aghetti attorno al magnete

mediante linee continue alle quali ciascun aghetto è tangente.

2. Poni un’altra bussola su una di queste line. Come si orienta il suo ago?

________________________________________________________________

3. Spiega cosa rappresentano queste linee facendo riferimento al modo in cui sono state costruite.

________________________________________________________________

1. Considera due linee di orientazione.

Sono sempre alla stessa distanza luna dall’altra? Sì No

Ritieni che esse siano le stesse su un altro piano, diverso da quello della tavola?

Sì No

2. Illustra con le tue parole come ti rappresenti le linee di orientazione nello spazio attorno al

magnete.

Togli il magnete. Distribuisci aghi ferromagnetici uniformemente su un foglio di acetato. Posiziona

il magnete sul foglio di acetato nella stessa posizione di prima. Osserva come gli aghi

ferromagnetic si dispongono.

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3. Ci sono delle differenze tra il disegno delle line realizzato con l’utilizzo delle gussole e quello

degli aghi ferromagnetici?

Sì No

Discutere le analogie e le differenze e formulare una spegazione.

Analogie ________________________________________________________________

Differenze ________________________________________________________________

Spiegazioni ________________________________________________________________

4. Muovi il foglio di acetate con su il magnete in vari punti del tavolo. La distribuzione degli aghi

ferromagnetici cambia? (rispondi e spiega cosa osservi)

________________________________________________________________

Consideriamo la rappresentazione delle linee di orientazione delle bussole (linee di campo) di un magnete e poniamo una pallina di ferro nei due punti A e B come indicato nella figura sottostante.

5. PREVISIONE. Se lasciamo la pallina libera di muoversi,

• Qual è la direzione di partenza della pallina posta nel punto A? (disegna la figura ed esprimi la tua previsione a parole)

________________________________________________________________

• E per quella in B? (disegna la figura ed esprimi la tua previsione a parole) ________________________________________________________________

• Secondo te, le linee di campo coincidono con la direzione di partenza della pallina di ferro? (spiega la tua risposta)

________________________________________________________________

6. PROVA. Poni una pallina nei punti A e B. Come si muove?

(Discuti i risultati)

________________________________________________________________

7. La direzione di orientazione e quella di partenza rappresentano due aspetti differenti del

fenomeno osservato? (discutine il significato e spiega la tua risposta)

________________________________________________________________

Attività suggerita: misurare il campo magnetico lungo una linea di campo. Guardare al foglio di lavoro

per gli esperimenti hands-on 1, 2, 3

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3 Sospensione di magneti

Hai quattro magneti cilindrici identici con un buco in mezzo infilati su un’asta di legno. I magneti rimengono sospesi uno sopra l’altro.

1. Immagina di applicare una forza diretta verso il basso sul disco posto più in alto, per esempio

spingendolo con la tua mano. Quali delle seguenti frasi descrive meglio la situazione? Spiega

perché.

a. Ti aspetti di sentire una “resistenza” alla forza che tu stai esercitando verso il basso.

b. Non pensi di essere in grado di muovere il magnete

c. Il magnete cade sul magnete sottostante.

______________________________________________________________________________

__________________________________________________

2. Ora premi il magnete posto più in alto verso il basso. Cosa succede?

3. Paragona la tua previsione con la prova sperimentale. Discuti l’esperimento rispetto alle tue

aspettative e danne una spiegazione

______________________________________________________________________________

__________________________________________________

66

Nella figura sottostante abbiamo disegnato i quattro magneti cilindrici identici forati al centro e posti sull’asta di legno in sezione,.

4. Quali sono le forze che agiscono su ciascun disco? Rappresentale.

5. PREVISIONE. Supponi di posizionare i magneti uno sopra l’altro con gli stessi poli affacciati

(come erano precedentemente, ma senza l’asta di legno). Come pensi che i magneti si

dispongano? Spiega la tua risposta.

______________________________________________________________________________

__________________________________________________

6. PROVA. Ora poni i magneti uno di fronte all’altro con gli stessi poli affacciati senza l’asta di

legno.

a. Cosa succede?

________________________________________________________________

b. Dai una spiegazione a ciò che succede.

______________________________________________________________________________

__________________________________________________

7. Quali fattori entrano in gioco e fanno sì che i magneti lungo l’asse di legno rimangano

sospesi?

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4 Caduta in un tubo di rame

Si dispone di un tubo di rame lungo 114 cm e con un diametro di 2,5 cm, un magnete cilindrico con dimensioni tali da poter passare attraverso il tubo, un cilindro di acciaio delle stesse dimensioni del magnete cilindrico e un cronometro. Tenere il tubo di rame in posizione verticale e utilizzare il cronometro per misurare il tempo necessario al magnete di forma cilindrica e al cilindro in acciaio di passare attraverso il tubo

1. Lascia cadere il cilindro di acciaio attraverso il tubo di rame. Quanto tempo impiega il cilindro di acciaio a passare attraverso il tubo di rame?

2. Lascia cadere il magnete attraverso il tubo di rame. Quanto tempo impiega il magnete a

passare attraverso il tubo di rame? 3. C’è differenza tra il tempo impiegato dal cilindro di acciaio e dal magnete per passare

attraverso il tubo? Come ti spieghi questa differenza?

Si dispone di un tubo di rame delle stesse dimensioni del precedente in cui un’incisione di 0,2 cm è stata fatta longitudinalmente lungo il tubo, di modo che la ferita è profonda come la parete del tubo. Tenere il tubo in posizione verticale.

4. Supponi di far cadere il cilindro d’acciaio all’interno del tubo. Quanto tempo impiegherà a passare attraverso il tubo? ________________________ Spiega la tua previsione______________________________________________________

5. Fallo cadere. Quanto tempo impiega a passare attraverso il tubo? ________________________

6. Trovi qualche differenza tra questo tempo di caduta e quello dello stesso cilindro nel tubo

senza taglio? Sì No Descrivi ciò che hai sperimentato o osservato.

7. Supponi di far cadere il magnete all’interno del tubo con l’incisione. Quanto tempo impiegherà

a passare attraverso il tubo? ________________________ Spiega la tua previsione:

8. Fai cadere il magnete all’interno del tubo di rame. Quanti secondi impiega a percorre il tubo?

_____________________ 9. I due cilindri si comportano nello stesso modo quando cadono nel tubo con l’incisione ed in

quello senza? Sì No

10. Come ti spieghi ciò che hai osservato?

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5 L’anello saltante

Hai una bobina con nucleo di ferro dolce, intorno a cui vi è un anello di rame, un Bunsen, un contenitore con azoto liquido, cartone bianco.

1. Quando il generatore è spento, porre l’anello di rame sul nucleo di ferro dolce. Cosa succede?

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

2. Lascia l’anello di rame sul nucleo di ferro dolce ed accendi il generatore. Descrivi cosa vedi.

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

3. Lascia il generatore acceso. Noti nulla?

Sì No

4. Lascia l’anello di rame sul nucleo di ferro dolce e accendi e spegni il generatore. Descrivi cosa

vedi.

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

5. Quando l’anello si muove dalla sua posizione iniziale?

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

6. Spiega il comportamento dell’anello di rame quando accendi e spegni il generatore

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

7. Poni il cartone bianco in piedi di fianco alla bobina con il nucleo di ferro dolce. Accendi e

spegni il generatore e misura l’altezza raggiunta dell’anello.

8. h = ….

9. Scalda l’anello di rame con un bunsen Bunsen per alcuni minuti e poi posizionalo sul nucleo di

ferro dolce. Accendi e spegni il generatore.

a. Descrivi cosa osservi.

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

b. L’anello salta più in alto o più in basso rispetto al caso precedente quando non era

stato scaldato?

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

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10. Poni il cartone bianco in piedi di fianco alla bobina con il nucleo di ferro dolce. Scalda l’anello

per alcuni minuti. Accendi e spegni il generatore e misura l’altezza raggiunta dell’anello.

h = ….

11. Supponi di porre per alcuni minuti l’anello di rame nell’azoto liquido al fine di raffreddarlo e poi

di posizionarlo sul nucleo di ferro dolce. Fai una previsione su come salterà l’anello:

a. Salterà più o meno rispetto a quando era a temperatura ambiente? Spiega la tua

risposta.

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

b. Salterà più o meno rispetto a quando era stato scaldato? Spiega la tua risposta.

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

12. Poni il cartone bianco in piedi di fianco alla bobina con il nucleo di ferro dolce. Immergi l’anello

nell’azoto liquido per alcuni minuti. Accendi e spegni il generatore e misura l’altezza raggiunta

dell’anello. L’anello salta: h = …

a. Salterà più o meno rispetto a quando era a temperatura ambiente?

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

b. Salterà più o meno rispetto a quando era stato scaldato?

______________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________

13. Pensi che il fenomeno sia legato in qualche modo alla temperatura dell’anello di rame? Spiega

la risposta.

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14. Conclusioni

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6 Superconduttori

Si dispone di un magnete cilindrico, un superconduttore, un contenitore di azoto liquido e una

bussola.

1. Prima di versare l’azoto liquido sul superconduttore, porre su quest’ultimo una bussola. In che

direzione punta l’ago della bussola?

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2. Gira il superconduttore e ponigli sopra la bussola. L’ago punta nella stessa direzione di prima?

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3. Poni il magnete sopra al superconduttore. Togli il magnete e poni la bussola sul

superconduttore. Com’è l’orientazione dell’ago della bussola rispetto ai casi precedenti?

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4. Nelle immediate vicinanze del superconduttore la bussola si orienta in base ad un campo

magnetico diverso da quello terrestre? Sì No

5. Come deduci ciò?

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6. Versare l’azoto liquido sopra al super conduttore fino a sommergerlo completamente.

Aspettare fino a che parte dell’azoto liquido non è evaporato lasciando così scoperta la faccia

superiore del superconduttore. Porre il magnete sopra al superconduttore. Descrivi cosa

ossservi.

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7. Posiziona il magnete sopra al superconduttore, versa l’azoto liquido sopra ala magnete e al

superconduttore fino a sommergerli. Attendi poi che parte dell’azoto evapori. Descrivi cosa

osservi.

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8. Paragona tra loro le due situazioni. Come interpreti il fatto che il magnete rimanga sospeso

alcuni millimetri sopra al superconduttore?

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9. Togli il magnete e l’azoto liquido. Poni la bussola sul super conduttore. Come si orienta l’ago

della bussola?

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10. Togli la bussola, gira il superconduttore e appoggiaci ancora sopra la bussola. Com’è

l’orientazione dell’ago della bussola?

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11. Nelle immediate vicinanze del superconduttore la bussola si orienta in base ad un campo

magnetico diverso da quello terrestre?

Sì No

Come ti spieghi ciò?

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12. Che conclusioni puoi trarre da questa indagine?

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Sperimentazione di ricerca

Francesca Bradamante, Marisa Michelini, Udine (I)

1. Misura dell’intensità del campo magnetico utilizzando una bussola

Obiettivo: dipendenza dalla distanza del campo magnetico lungo l'asse longitudinale di un magnete cilindrico. Metodi: misura in unità di campo magnetico terrestre (BT), campo magnetico generato da un magnete cilindrico (Bm), basato sulla deviazione della direzione dell’ago magnetico della bussola rispetto al campo magnetico terrestre. Materiali: cilindro magnetico, bussola, foglio di carta millimetrata, matita, gomma, nastro adesivo. Fasi dell’esperimento: 1. Fase preliminare: utilizzando una bussola

identificare una zona del pavimento in cui il campo magnetico è costante.

2. Organizzazione dell’apparato sperimentale: a) Orientare il foglio di carta millimetrata di modo

che la direzione di BT coincida con quella del lato corto del foglio.

b) Porre il magnete perpendicolarmente alla direzione di BT (lungo la linea a)

3. Misurazione: a) Posizionare inizialmente la bussola a 35 cm dal

magnete lungo la linea a e segnare la direzione dell’ago magnetico.

b) Calcolare il valore di Bm in unità di BT: scegliere un unità arbitraria per il vettore del compo magnetico terrestre BT (per esempio 2 cm) e calcolare la componente Bm rispetto alla posizione assunta dall’ago in quel punto.

4. Spostare gradualmente la bussola sempre più vicino al magnete (a intervalli costanti di 2 cm) e calcolare Bm per ogni posizione.

5. Registrare i dati in una tabella e analizzare la dipendenza del vettore Bm rispetto alla distanza: (d = distanza tra la bussola e il polo del magnete più vicino; Ln = logaritmo)

6. Represenare i dati in un grafico

d (….)

Bm (……..)

Ln (d) Ln (Bm)

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2. Misurazione del campo magnetico con una sonda di Hall

Obiettivo: dipendenza dalla distanza del campo magnetico lungo l'asse longitudinale di un magnete cilindrico Metodi: misura diretta del campo magnetico generato da un magnete cilindrico Bm con un sensore di campo magnetico. Materiali: magnete cilindrico, sensore di campo magnetico, foglio di carta millimetrata, matita, nastro adesivo. Fasi dell’esperimento 1. Fase preliminare: determinare la direzione del campo magnetico terrestre BT e orientare il foglio

di carta millimetrate di modo che la direzione di BT coincida con quella del lato lungo del foglio. 2. Organizzazione dell’apparato sperimentale: posizionamento del magnete nella direzione del

campo magnetico BT 3. Measurazione: a intervalli regolari (1 cm) spostare il sensore verso il magnete ed annotare i

valori misurati dalla sonda di campo magnetico 4. Raccogliere i dati in una tabella e calcolare, sottraendo a B il valore di BT, il campo magnetico Bm

prodotto dal magnete in ogni posizione. 5. Analizzare la dipendenza dell’intensità di Bm rispetto alla distanza e rappresentare i dati in un

grafico (d = distanza tra la sonda e il polo più vicino; Ln = logaritmo)

d (…..)

B (….)

Bm (…….)

Ln (d) Ln (Bm)

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3. Misurazione del campo magnetico B a partire dall’oscillazione di un

ago magnetico

Obiettivo: dipendenza dalla distanza del campo magnetico lungo l'asse longitudinale di un magnete cilindrico. Metodo: misura del periodo di oscillazione di un ago magnetico posto lungo l'asse longitudinale di un magnete cilindrico. Materiali: magnete cilindrico, bussola, foglio di carta millimetrata, matita, nastro adesivo. Fasi dell’esperimento 1) Fase preliminare: determinare la direzione del campo magnetico terrestre BT e orientare il foglio

di carta millimetrate di modo che la direzione di BT coincida con quella del lato lungo del foglio. 2) Organizzazione dell’apparato sperimentale: posizionare il magnete cilindrico lungo la direzione

di BT 3) Measurement: muovere a intervalli regolari (2 cm) la bussola verso il magnete e misurare il

periodo di oscillazione (misurare con il cronometro 5 o 10 oscillazioni e ripetere ciascuna misura 3 volte)

4) Sapendo che il periodo di oscillazione dipende da B secondo la legge:

BkT

1=

La possiamo usare (quando k è costante) il campo magnetico totale presente nel punto in cui

stiamo misurando: 2

1~

TB

5) Calcolare, sottraendo a B il valore di BT, il campo magnetico Bm prodotto dal magnete in ogni posizione.

6) Raccogliere i dati in una tabella e riportarli in grafico (d = distanza tra la bussola e il polo più vicino; Ln = logaritmo)

d

(…..) T

(…….) B

(….) Bm

(…….) Ln (d) Ln (Bm)

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Esperimenti – il seminario per gli insegnanti

Il seminario per gli insegnanti - overview Wim Peeters, Antwerp (B)

In questa sezione introduciamo le strategie per trasferire le conoscenze e i materiali raccolti durante il progetto Supercomet2 a insegnanti e studenti. Per gli insegnanti questo è stato pianificato per avvenire in 2, 3 o 4 sessioni, ognuna di poco meno di 4 ore. Due di queste sono dedicate principalmente alla fisica “tradizionale” dell’elettromagnetismo e introducono alla superconduttività, la terza tratta la teoria della superconduttività, e nell’ultima l’argomento riguarda le applicazioni e un sommario di tutti i metodi di insegnamento.

(dal programma: fine della seconda sessione e inizio della terza) Poiché i materiali sono soprattutto digitali, questi seminari dovrebbero avere luogo in ambienti attrezzati per le TIC. Con queste risorse digitali possono essere mostrati piccoli esperimenti low-tech e high-tech, quindi dovrebbe essere disponibile un laboratorio. I seminari per gli insegnanti sono finalizzati al trasferimento di tutti i materiali e dei metodi per utilizzarli in classe. Essi sono implementati nelle sessioni in modo tale che gli stessi insegnanti possano provare tali metodologie di insegnamento. Il trainer degli insegnanti dovrebbe continuamente passare da un ruolo all’altro: educatore professionale, utilizzando metodi per incrementare conoscenza ed entusiasmo dei suoi studenti, e insegnante, giocando il ruolo dello studente e svolgendo le attività. In questo modo la teoria diventa pratica e gli insegnanti possono immediatamente adattare e adottare queste strategie per l’uso in classe. È previsto che una larga parte del tempo venga dedicata alla discussione.

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Quali materiali sono usati durante le sessioni? • Le applicazioni al computer, ovviamente, restano lo strumento più importante: sono usate in tutte

le sessioni, e tutti i moduli sono studiati in profondità, in modi differenti. • In più, la guida per l’insegnante è usata

continuamente con presentazioni in PowerPoint dando ulteriori informazioni, sia agli studenti che agli insegnanti, sulla superconduttività e su tutti gli aspetti dell’insegnamento di questo argomento. Nel frattempo, la piattaforma Physible sarà usata per incrementare l’interazione tra chi sta imparando e verrà mostrato come può essere usata come libreria di materiali per l’insegnamento, pronti per lo scambio.

• Ovviamente la fisica senza gli esperimenti non è molto viva: suggeriamo che si utilizzi una serie di semplici ma nondimeno stuzzicanti esperimenti.

• Durante il seminario per gli insegnanti guidiamo con cura tutti i partecipanti attraverso tutti questi item e lasciamo che provino tutti i materiali.

• Viene fornito un sommario di tutti i metodi di insegnamento, degli strumenti di valutazione, dei questionari e dei file multimediali.

Il metodo di insegnamento “a rotazione”: si guardi il gruppo con le due ragazze in verde: ruotano in senso orario da u piccolo esperimento ad un altro (qui: fenomeni di induzione magnetica)

(Foto: SGC-Boechout-Belgium) Tutte le informazioni sul seminario per gli insegnanti e i relativi materiali sono disponibili nella rete intranet Simplicatus.

Metodi di insegnamento – apprendimento attivo

Quiz

Motivazione degli studenti Gioco, punteggio, interazione sociale, discussione

Perchè? Modo veloce di trattare più argomenti, diversi tipi di domande possibili (anche numeriche, video, esperimenti, …), elevata variabilità in approccio, in profondità è possibile.

Scopi • Cominciare velocemente • Motivazionale • Overview • Scoprire la conoscenza nascosta

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Metodo Formato tradizionale. Le domande possono variare molto in approccio:

• Con figure, domande aperte, scelta multipla • Su un modulo, su tutti I moduli, storia • È possible una differenziazione • differenti team

Prestare attenzione ai “premi” dati. Valutazione: il successo di questo metodo di insegnamento dipende molto dal modo in cui viene attuato.

A/B-ATTIVITA’

Scopi • Gli studenti reperiscono informazioni in gruppo ma autonomamente e se le passano l’uno con

l’altro. • Gli studenti applicano i contenuti delle loro nuove conoscenze in compiti creativi.

Metodo Step 1: Lo scopo del compito è spiegato. Il compito è abbastanza generale e concettuale. Gli

studenti sono divisi in gruppi di 4 o 5. Ogni studente gioca uno specifico ruolo: moderatore, segretario, programmatore, … . Il tempo è regolato. I ruoli specifici sono esplicitati.

Step 2: Gli studenti svolgono la prima parte del compito (A). E’ essenziale qui usare le informazioni (libri di testo, siti web). Ogni studente riceve un differente elenco di possibili risorse e un tema. Alcune domande possono guidarli e stimolare le discussoni. Essi attingono anche alla loro personale esperienza, conoscenza e comprensione.

Esempio: 1 Studio e uso di siti web 2. Come selezionare informazioni 3. …e riassumerle 4. Sintetizzare per il gruppo 5. Elenco di risorse

Step 3: Basato sulla fase precedente (A), viene ssegnato il compito B. Questo è più concreto, pratico: la conoscenza acquisita in A è applicata in B. L’insegnante osserva e lascia gli studenti

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lavorare indipendentemente finchè possibile. L’insegnante dà un feedback dopo I compiti A/B.

Esempi • Applicazioni di sistemi di raffreddamento • Esempi di magnetismo • Storia di …..

Step 4: Ogni gruppo presenta I risultati del loro compito specifico. Insegnanti e studenti danno

feedback e suggerimenti. È possibile fare una valutazione del prodotto (come A è applicato in B) e dell’atteggiamento (durante B).

Mappa concettuale

Il principio è ben noto http://olc.spsd.sk.ca/DE/PD/instr/strats/mindmap/index.html

• Usare singole parole o semplici frasi per l’informazione • Stampare le parole • Usare colori per separare idee differenti • Uso di simboi e immagini • Usare forme, cerchi per collegare informazioni • Usare frecce per mostrare causa ed effetto

Come posso adattarlo? Con un grosso gruppo come attività di brainstorming dell’intera classe Ritagliare strisce e cerchi dalla lavagna a fogli. Discutere l’argomento principale, scrivere in un cerchio e posizionarlo nel centro della bacheca. Ogni studente dà la sua idea sull’argomento e la segna su un altro cerchio della lavagna. Ogni studente inoltre scrive diverse parole sulla sua idea su

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strisce separate di carta. Quando gli studenti avranno finito, la mappa concettuale sarà assemblata sulla bacheca con le connessioni fatte con le strisce di carta. Potrà essere fissata al muro.

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Costruzione della conoscenza

Scopo Gli studenti sono indotti a lavorare insieme perchè hanno informazioni diverse. Tempo : 1h o meno

Metodo Step 1: Il materiale deve essere diviso logicamente in più parti più o meno uguali. Ogni parte può

essere trattata indipendentemente dalle altre. Ogni gruppo ne riceve una.

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Step 2: Ogni studente studia la sua parte. Se necessario l’insegnante può fornire domande e compiti di supporto.

Step 3: Scambio all’interno del gruppo: gli studenti presentano il loro lavoro e assemblano tutto in una unità coerente.

Stap 4: L’insegnante controlla se tutti gli studenti hanno capito tutto.

Esempi Differenti applicazioni di un argomento Può essere usato anche per la teoria Una tipica sequenza esperimenti/ formula/esercizi/applicazioni

Rotating corners

Scopo Gli studenti in piccolo gruppi fanno ricerche su differenti aspetti dello stesso argomento Tempo: 1 h o meno

Metodo Step 1: l’insegnante prepara differenti compiti per i diversi gruppi. Ogni compito dovrebbe essere

preparato in un diverso “spazio di lavoro/angolo” della stanza. Tutti i materiali necessari. Tutti i materiali necessari sono a disposizione in questo angolo.

Step 2: gli studenti sono divisi in gruppi. Essi svolgono un compito e si spostano nell’angolo accanto. Tutti i compiti dovrebbero impiegare più o meno lo stesso tempo.

Qui è pssibile il gioco di ruolo. Le regole devono essere definite chiaramente: tempo, materiali, soluzioni, cose da scrivere…

Un elenco con tutti i compiti può essere distribuito, ma questo non è necessaro.

Esempi Serie di piccolo esperimenti sullo stesso argomento (elettrostatica, dinamica, calore, modello dell’atomo, relazione resistenza-teperatura, induzione, ottica, serie di problemi)

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Esperti di laboratorio

Scopo Gli studenti diventano esperti ognuno in un piccolo o in una parte di esperimento. Essi devono poi esporre quanto appreso ai compagni. Tempo: 1h

Metodo Step 1: formazione del gruppo “iniziale”

Si formano gruppi di 4 studenti. Ognuno riceve un colore o un numero (1-4, se ci sono 4 esperimenti). Tutti gli studenti con lo stesso colore/numero vanno sul loro specifico esperimento, di cui diventano “esperti” (costruzione, analisi, esecuzione, rilevamento dati, grafici, conclusioni) lavorando insieme in questo gruppo. Il livello di approfondimento di questa attività può variare (tempo-scopo), dipende dall’insegnante. Il supporto che gli studenti ricevono può variare da un auto-supporto a una guida che include tutte le spiegazioni. Il modo in cui essi preparano il trasferimento delle loro conoscenze al gruppo può essere stabilito dall’insegnante

oppure dal gruppo.

Step 2: il gruppo di esperti ritorna (split back) ai gruppi “iniziali”. Questi gruppi ora cominciano a ruotare da un esperimento a un altro, e ogni volta l’esperto specifico guida il processo di apprendimento.

Step 3: Tutti gli esperti mettono insieme le informazioni che hanno raccolto e questo diventa un piccolo corso. Il gruppo poi formula le conclusioni finali, basandosi sull’insieme di tutte le informazioni.

Per essere sicuri della qualtà dell’informazione, uno può mandare due esperti per ogni gruppo base ad ogni esperimento. In una fase intermedia l’insegnante porebbe controllare cosa ogni gruppo di esperti ha trovato/ può anche usare una chiave con le risposte corrette/ può usare un tutorial.

Argomenti per questo metodo di insegnamento Serie di piccoli esperimenti (elettrostatica, dinamica, calore, modello dell’atomo, dipendenza resistenza- temperature, induzione, ottica) Questo è anche utile se uno organizza un gruppo di base per differenti aspetti di un certo argomento:

-Chi comincia -Esperimento di base + rilevare dati

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-Formule -Problemi -Applicazione/i

Lavorare con azoto liquido e magneti Molte dimostrazioni pratiche nel campo della superconduttività richiedono l’uso di azoto liquido. È una sostanza pericolosa ed è necessario maneggiarla con molta cura :

• Usare bottiglie Dewar o contenitori thermos per trasportare piccolo quantità di azoto liquido, ma MAI AVVITARE IL TAPPO. La pressione che può generarsi all’interno del thermos potrebbe causarne l’esplosione.

• Scegliere I contenitori con cura, evitando vetro ordinario o plastica, in quanto potrebbero frantumarsi se fragili e provocare danni.

• Tenere l’azoto liquido lontano dalla portata degli studenti . • Dimostrare loro cosa può accadere quando I materiali vengono super-raffreddati (per esempio,

raffreddare efrantumare una rosa). • Assicurarsi che l’azoto liquido non entri in contatto con parti del corpo. • Indossare sempre occhiali di protezione. • Non toccare mai oggetti raffreddati come superconduttori o magneti. Usare sempre pinzette

preventivamente testate per essere certi che non diventino fragili quando raffreddate. • Usare guanti isolanti . • Assicurarsi che la stanza dove state lavorando sia ben ventilata.

Lavorare con magneti Alcuni magneti (ad esempio I magneti al niobio) possono essere molto potenti e vanno maneggiati con cura :

• Tenere sempre I magneti lontano da computer, floppy disks, registratori e carte di credito. • Indossare guanti nel caso in cui due magneti si attraggono fortemente e tenere lontano piccoli

frammenti di metallo. • Stare attenti a non mettere le dta tra due di questi magneti. • Tenere lontano tali magneti.

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Esperimenti sulla Levitazione Wim Peeters, Antwerp (B)

Materiali necessari per le attività

1. Azoto liquido – un contenitore Dewar con almeno 1 litro di LN2 (Liquid Nitrogen - Azoto Liquido).

2. Contenitore di polistirene. 3. Piattini Petri Pyrex. 4. Beaker Pyrex. 5. Kit superconduttività. Il più semplice kit contiene un piccolo magnete di terra rara, un grande

magnete di terra rara e una pastiglia superconduttrice. Questo è sufficiente per dimostrare la levitazione e il pinning.

6. Una selezione di LED e celle in cui farli accendere. C’è bisogno che siano su un lungo supporto in modo che possano esser facilmente immersi in LN2.

7. Un insieme di magneti ad anello su un supporto (con un’asta di legno nel mezzo su cui impilare i magneti in modo che si respingano l’un l’altro – Il supporto deve avere una base così da poter disporre verticalmente la pila di magneti).

8. Un tubo di rame (lungo almeno 0.30 m). 9. Accesso al CD ROM SUPERCOMET2 e più computer. 10. Accesso a internet (non essenziale) 11. Libri di Riferimento

Esperimenti dimostrativi

Esperimento 1: L’azoto liquido è molto freddo Far vedere quanto sia freddo lo LN2 e quale strana cosa esso appaia:

• una foglia di lattuga o un fiore si sbriciolano dato che diventano estremamente fragili. • chiodi di pasta autoadesiva riutilizzabile (tipo Blue Tack) diventano così duri da poter essere

conficcati con un martello nel legno. • un tubo di gomma si frantuma quando viene colpito con un martello.

Osservare in quanto tempo essi ritornano al loro aspetto normale – perché è così lungo?

Esperimento 2 – L’anello di rame o alluminio che salta L’esperimento della spira o dell’anello che salta è ben noto e documentato. Tuttavia il punto cruciale qui è raffreddare la spira o l’anello a 77K abbassando pertanto la resistività e consentendo che venga indotta una corrente maggiore. L’impatto di questo sull’intensità del campo generato sarà ovvio. Questo si lega bene con l’esperimento dei magneti sospesi e si può discutere il suo collegamento con la levitazione di un superconduttore come una combinazione di magneti particolarmente potenti e una bassa resistività. Sarà facile che una scuola disponga di un kit con un trasformatore smontabile. Questi kit in genere contengono un anello metallico singolo (di solito di alluminio, ma di rame va altrettanto bene) che può essere usato come una bobina secondaria a “una spira”. Usare come circuito primario una bobina con un gran numero di spire (le istruzioni probabilmente diranno qual è la più idonea – in caso contrario, sperimentarlo per trovarla). Quando si connette il primario al generatore ac, l’anello viene sparato fuori dal cuore ferromagnetico su cui è infilato. Versare un po’ di LN2 nel contenitore di polistirene e porre l’anello di alluminio nel LN2 fino a che il LN2 cessa di bollire. Estrarre l’anello e ripetere l’esperimento. L’effetto sarà sorprendente – l’anello viene sparato sul soffitto.

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Note sulla sicurezza: stare indietro – non porre la faccia nella linea di fuoco dell’intero esperimento. Non fare l’esperimento immediatamente sotto una lampada assicurandosi che l’anello impatti il soffitto.

Esperimento 3: Luce fredda - Il LED nell’azoto liquido Quando un LED viene raffreddato si può osservare che l’intensità della luce emessa aumenta a causa dell’aumentare, nella banda di gap (la differenza di energia tra le bande di valenza e di conduzione). Questo può anche spiegare lo spostamento della frequenza che a volte si osserva, infatti avendo accesso a uno spettrometro digitale si potrà registrare lo spettro di emissione a temperatura ambiente e quello alla temperatura del LN2. Ciò si osserva anche se il LED, una volta raffreddato, viene estratto dal LN2. Questo può essere spiegato in termini di elettroni che non hanno ancora energia sufficiente per superare il gap o basandosi sulla nozione più familiare per cui il LED è un semiconduttore e come tale ha una resistività che diminuisce velocemente con l’aumentare della temperature.

La spiegazione che può essere utilizzata nel seminario è che la transizione dalla banda di conduzione a quella di valenza trasferisce energia sia a un fotone, che verrà osservato alla frequenza opportuna, sia al reticolo cristallino ossia ai fononi. I fononi sono importanti per descrivere la formazione delle “coppie di Cooper” come meccanismo per la superconduttività.

Connettere un LED a una batteria appropriata e annotare il suo colore e l’intensità luminosa emessa – immergerlo nell’azoto liquido e osservare che cosa cambia. I cambiamenti che si vedranno varieranno a seconda del LED usato. Perciò, usare LED di differenti colori. Alcuni si spengono immediatamente (vedere il modulo del CD ROM per esempio) – alcuni si illuminano di più e c’è spesso un piccolo cambiamento nel colore.

Esperimento 4: I magneti che cadono nel tubo (magneti flottanti) I kit richiesto per un buon esito è un tubo di rame lungo circa 0.30m, un piccolo magnete di niobio e un pezzo di ferro o acciaio delle stesse dimensioni. Quando il pezzo d’acciaio viene rilasciato dentro al tubo esso cade come ci si può aspettare e facilmente calcolare da:

s = ½at² [a è l’accelerazione, s lo spazio percorso, nel tempo t]. Quando è il magnete di niobio che viene fatto cadere dentro al tubo, passano anche 4-5 secondi prima che esca dal fondo. Se si usa un tubo lungo 0.30m di rame con un diametro interno di 0.014m e un magnete di niobio di diametro 0.011m (altezza del cilindro 0.05m) ci si può attendere un tempo di caduta di 5 s. L’obiettivo dell’esperimento è prima di tutto mostrare che l’effetto non è semplicemente magnetico poiché il rame non è magnetico. In secondo luogo esso introduce alle correnti indotte e alle correnti parassite che generano un campo che si oppone alla variazione che lo ha generato. Questo determina il frenamento del magnete in caduta. Questo effetto si osserva solo con magneti di alta intensità. Infine un modello qualitativo potrà essere costruito, anche se un modello quantitativo richiederà di tenere in conto della velocità con cui cambia il flusso e a meno che i partecipanti non abbiano sufficienti competenze nel calcolo, dovrà essere tralasciato.

Esperimento 5: Levitazione di un magnete su un superconduttore Questi esperimenti forse non sono nuovi, ma permettono ai partecipanti di avere esperienze che possono riguardare aspetti teorici sia già studiati, sia che non si conoscono ancora. Il secondo dei due esperimenti è forse meno noto e può fornire un’interessante e stimolante spunto per gli studenti più interessati.

Presentazione dei materiali Magneti di terre rare e dischi superconduttori

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Prima di fare l’esperimento con i superconduttori e i magneti, presentare alla classe i magneti di terre rare (niobio). Questi hanno bassa densità, ma sono dotati di campi magnetici incredibilmente forti (riescono a sollevare numerose graffette). Questi magneti sono divertenti se maneggiati con cura. Tenere lontano da computer e non perdeteli di vista - sono 'trofei' che attirano e potrebbero facilmente sparire! Si possono facilmente rompere, e si attaccano in modo molto resistente agli oggetti ferromagnetici: prestare attenzione! I superconduttori non sono particolarmente interessanti alla vista - leggermente friabili, di material scuro e che non ha evidenti proprietà. Il superconduttore non è magnetico (provate a sollevarlo con un magnete – non ci riuscite). Inoltre, esso non interagisce con un altro magnete (quando è caldo).

Fisica magica - Levitazione

Levitazione 1 Posizionare il superconduttore sul fondo di un contenitore di polistirolo (o utilizzare una vaschetta pirex Petri). Aggiungere l’azoto liquido e attendere che smetta di bollire. Utilizzando la pinza di plastica, prendere il più piccolo tra i due magneti e collocarlo sulla parte superiore del superconduttore. Il magnete rimarrà fluttuante al di sopra del superconduttore. Fare notare alla classe a che altezza il magnete stia fluttuando. Dopo un po' il magnete si abbassa lentamente fino a quando si appoggia sul superconduttore. Osservare questa fase con attenzione e notare che il processo è graduale. (Lasciate passare qualche minuto prima di prendere in mano il magnete e il superconduttore - ci vorrà del tempo perché ritornino a temperatura ambiente).

Levitazione 2 Ripetere ora l’esperimento, ma questa volta per prima cosa si pone il piccolo magnete sul superconduttore. Versare l’azoto liquido. Dopo un po' il magnete inizierà a levitare, ma non nella stessa misura in cui avveniva nell’esperimento precedente. Assicurarsi che gli alunni notino questa differenza. Osservare ancora come sia graduale l’attenuazione dell'effetto con l’aumentare della temperatura

Levitazione 3 Posizionare il superconduttore in una tazza di polistirolo (o utilizzare una vaschetta pirex Petri). Aggiungere l’azoto liquido e attendere che smetta di bollire. Utilizzando la pinza di plastica, prendere il magnete forte e porlo sopra al superconduttore. Il magnete NON fluttua al di sopra del superconduttore. Viene spinto via. Spingere il magnete verso il superconduttore, così facendo il magnete rimane più o meno stabile. Fate in modo che la classe riconosca questo particolare. Provare a ruotare il magnete forte, o a spostarlo: non ci si riesce. Il magnete rimane bloccato nel campo magnetico. Questo esperimento è simile a quello della levitazione, tranne che in questo caso il superconduttore è sollevato. Mettete il superconduttore in un piattino e versare dell’azoto liquido. Quando smette di bollire, portare il più grande dei due magneti vicino alla superficie del superconduttore. In questo

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modo si è in grado di sollevare il superconduttore. Si noti che c'è un piccolo divario tra il magnete e il superconduttore. Ripetere la levitazione 1 sopra esposta, ma questa volta spingere il magnete levitante di lato e rilasciarlo – il magnete torna nella posizione iniziale. Ruotare il magnete di modo che si affacci verso il superconduttore con l’altro polo - non importa con che polo sia rivolto verso il superconduttore, l’effetto si realizza sempre.

Levitazione 4 Ora ripetere l’esperimento, ma questa volta mettendo per prima cosa il magnete forte sul superconduttore. Versare l’azoto liquido. Dopo un po' di tempo "non succede nulla". Provare ad alzare il magnete, guardare il superconduttore restare attaccato al magnete. Il superconduttore (o il magnete) può essere girato come nell’esperimento precedente.

Compiti su cui riflettere Se non avete già discusso questo come parte integrante dell’esperimento, si chieda a tutti gli alunni di riflettere sul perché l'azoto liquido forma delle bolle – Sta bollendo come l'acqua che bolle? - In caso affermativo, qual è il processo di trasferimento di energia? Per tutti gli esperimenti di levitazione e di sollevamento del superconduttore potete chiedere: 1. Perché l’effetto sparisce lentamente? 2. Perché per gli esperimenti di levitazione viene utilizzato il magnete piccolo, mentre quello grande

è utilizzato per il sollevamento del superconduttore?

L’anello che salta 1. Quali sono le differenze nei due casi? 2. Perché l’anello salta nel primo caso? 3. Perché esso salta molto più in alto quando è stato raffreddato?

(Gli studenti possono trarre conclusioni a partire dalle loro conoscenze sull’induzione elettromagnetica, l’effetto magnetico di una corrente e la legge di Lenz. Essi dovrebbero focalizzare l'attenzione anche sul fatto che la resistenza di un normale conduttore diminuisce quando la sua temperatura diminuisce. Molti degli studenti possono essere in grado di dare una spiegazione del cambiamento nella resistenza in termini di riduzione di energia del reticolo.)

LEDs 1. Cosa succede alla intensità e al colore della luce del LED? 2. Usa le tue conoscenze sulle bande di conduzione e di valenza per suggerire quello che

potrebbe essere accaduto a livello atomico

Levitazione (quando si lavora su questo, il gruppo ha bisogno di utilizzare il set di magneti ordinari ad anello)

1. Perché non è possibile far fluttuare uno sopra all'altro i normali magneti ad anello, ma solo i piccoli magneti di terre rare fluttuano sul superconduttore? Perché può essere fatto solo con il supporto di legno che passa attraverso il loro foro centrale?

2. Disegnare il campo magnetico tra i magneti 'ordinai' quando uno è fluttuante sopra all'altro. 3. Fare uno schizzo come può apparire il campo magnetico sotto al magnete di terre rare

levitante. (Gli studenti dovrebbero essere in grado di disegnare i campi tra due magneti ordinari che si respingono e di suggerire che una forma simile del campo deve essere presente sotto al piccolo magnete levitante.)

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Il magnete levitante ritorna nella sua posizione di equilibrio quando viene spostato lateralmente

1. Immaginate cosa possa esserci tra il magnete e il superconduttore per far sì che il magnete torni alla sua posizione quando viene spostato. Quali potrebbero essere le forze agenti?

2. Perché l’effetto sparisce lentamente? 3. In che modo questo fenomeno è diverso da quello che si potrebbe realizzare con una coppia

di magneti che si respingono (come nel caso degli anelli magnetici)?

Rotazioni del magnete levitante 1. Perché il magnete rimane in rotazione per un piccolo intervallo di tempo dopo che si

smette di soffiare? 2. Cosa ferma la rotazione del magnete? 3. Se il magnete fosse cilindrico potrebbe continuare a ruotare per un tempo maggiore o minore?

Perché? 4. Quali modelli teorici si possono ipotizzare per spiegare perché il magnete sta sopra al

superconduttore?

Sollevamento del superconduttore 1. Quali sono le analogie e le differenze tra questo esperimento e quella della levitazione? 2. Cosa tiene vicino ma non in contatto il superconduttore con il magnete? 3. Si ipotizzi quale possa essere il campo magnetico presente fra i due. 4. Quali modelli teorici si possono ipotizzare per spiegare come ciò sia possibile?

(In tutti questi esperimenti gli studenti dovrebbero essere in grado di supporre che ci sia una forza attrattiva o frenante - così come un forza repulsiva. Essi dovrebbero anche riuscire a ipotizzare la presenza di linee di campo tra i due magneti – e di alcune linee di campo espulse dal superconduttore.)

Alcune note sugli Esperimenti I superconduttori nel kit sono superconduttori di tipo II. Questi mostrano l’effetto pinning (il magnete rimane sopra al superconduttore, anche quando viene spinto di lato), e l'effetto di levitazione. I superconduttori di tipo I mostrano solo la levitazione (il cosiddetto effetto Meissner). Vedere il CDROM per le diverse proprietà magnetiche dei due tipi di superconduttore. Non fare l'errore di credere che i superconduttori di tipo I siano superconduttori a bassa temperature e quelli di tipo II siano quelli ad alta temperatura. La classificazione in superconduttori ad alta e bassa temperatura non è molto gradita da parte degli addetti del settore ed è un po' arbitraria. I superconduttori ad alta temperatura sono semplicemente quelli che hanno una temperatura critica superiore ai 77K - il punto di ebollizione dell’azoto liquido.

89

Fenomeni magnetici ed elettromagnetici Hands-on Barbara Fedele, Marisa Michelini, Alberto Stefanel, Udine (I)

1 – Zattere magnetiche Due magneti sono posti su due piccole zattere di polistirolo galleggianti sull’acqua. Se si mettono il polo nord di uno dei magneti vicino al polo sud dell’altro, si osserva che i magneti si attraggono l’un l’altro. Se si avvicinano poli dello stesso tipo (nord - nord o sud - sud) si osserva che uno dei magneti, che sono liberi di muoversi, ruota di 180° in modo da attirare il polo opposto dell’altro.

2 – Distanza nelle interazioni magnetiche La distanza influenza l'interazione tra i magneti. Più lontani sono i magneti, minore è la loro attrazione fino al punto che essi non sono in grado di avvicinarsi anche se posizionati su delle zattere galleggianti in acqua. Quando i magneti sono abbastanza vicino l'attrazione invece è forte: i due magneti si attraggono fino a toccarsi.

3 – Repulsione fra magneti e distanza: una misura Due magneti sono inseriti in un tubo con poli omologhi uno di fronte all'altro. Essi si respingono. Quando il tubo è collocato in posizione verticale, il magnete in alto rimane sospeso per effetto della repulsione tra i poli omologhi dei due magneti. Se si aggiungono piccoli pesi (di un materiale non magnetico) sulla parte superiore del magnete soprastante, la distanza tra i due magneti

90

si riduce permettendo di osservare che la legge della forza repulsiva va con l’inverso della potenza di una distanza.

91

4 – Comportamento di due molle sotto tensione Due dinamometri uguali sono fissati alle estremità di due magneti collocati in un piccolo tubo, con i loro poli opposti uno di fronte all'altro. Tirando i due dinamometri, al fine di separare i due magneti affinché si trovino ad una data distanza si vede che l'allungamento delle molle dei due dinamometri è lo stesso. Si misura l'allungamento di ogni molla DL (o meglio, la forza esercitata da ogni dinamometro) per le diverse distanze d di equilibrio dei magneti. Per piccole distanze tra i poli dei due magneti, risulta che DL*d

n = cost, con n> 2.

5 –La deviazione dell’ago magnetico di una bussola posta vicino a un magnete Posizionare un foglio di modo che il suo lato più corto sia nella medesima direzione assunta dall’ago magnetico di una bussola posta sul foglio. Porre un magnete cilindrico ad una congrua distanza dalla bussola in modo che esso sia perpendicolare all'asse del magnete. Spostare la bussola più vicino al magnete. Si registri la direzione dell’ago della bussola a differenti distanze dal magnete: si può riconoscere che l’ago forma un angolo che si fa via via più acuto man mano che ci si avvicina al magnete. La proiezione di questa direzione, lungo la direzione di

approccio rappresenta la componente del campo magnetico prodotto dal magnete (Bm), rispetto alla componente fissa del campo magnetico terrestre (Bt). Se si traccia una linea parallela lungo la direzione di approccio e si misura la lunghezza della proiezione dell’ago abbiamo la misura di Bm in unità di misura arbitrarie. Bm cresce tanto più rapidamente quanto più diminuisce la distanza (d) tra la bussola ed il magnete. Si trova che Bm*d³= cost.

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6 – Limatura di ferro e magneti Si distribuisce uniformemente della limatura di ferro all'interno di una piccola scatola di plastica (un contenitore di CD). Se avviciniamo un magnete alla scatola ci accorgiamo che la limatura di ferro si muove e segue il movimento del magnete. Se poniamo il magnete al di sotto della scatola, ci accorgiamo che la limatura di ferro si allinea in base a una caratteristica formazione (vedi disegno). In particolare, la limatura si raggruppa intorno ai due poli del magnete: qui i filamenti di limatura si dispongono a raggiera. Parte della limatura resta sulla superficie della scatola, parte si dispone perpendicolarmente o obliquamente. Lo spazio in presenza di un magnete acquista una nuova proprietà: diventa sede di un campo magnetico. La disposizione e l'orientazione della limatura di ferro lo descrivono. Otteniamo una rappresentazione di ciò se mettiamo un foglio di acetato sopra alla scatola (può essere utile una superficie trasparente con piccoli supporti). Se si cambia la posizione o anche solo l'orientazione della scatola, si ottiene la stessa rappresentazione. Questa è perciò caratteristica degli effetti del magnete nello spazio.

7 –Il movimento in un campo magnetico Una sfera d'acciaio viene fatta scendere da una guida inclinata e si muove di moto rettilineo su un piano orizzontale. Se la sfera passa vicino al polo di un magnete, la sua traiettoria viene deviata. La sua velocità cambia. Ciò indica l'azione di una forza di attrazione tra il magnete e la sfera. La traiettoria descritta dalla sfera d'acciaio però è completamente diversa da quella delle linee del campo magnetico prodotto dal magnete.

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8 –Esplorare gli effetti magnetici di una corrente elettrica Si pongono due o più bussole intorno ad un filo rettilineo attraverso il quale fluisce una corrente elettrica (sotto, sopra, accanto). L'ago della bussola: gira fino a quando non si trova in una direzione ortogonale rispetto a quella del filo. Il verso indicato dall’ago della bussola collocato sotto il filo è opposto rispetto a quella dell’ago della bussola collocata al di sopra del filo. Se si inverte il verso della corrente che fluisce nel filo le orientazioni degli aghi delle bussole poste al di

sopra e al di sotto del filo vengono invertite. L'effetto magnetico di una corrente elettrica si manifesta su un piano perpendicolare alla direzione della corrente. Il campo magnetico prodotto da una corrente si estende al di sopra e al di sotto del cavo. La direzione del campo è fissata quando è fissato

il verso della corrente.

9 – Il campo magnetico prodotto da un filo percorso da una corrente elettrica Alcune bussole sono poste intorno a un filo rettilineo posto verticalmente. Se nel filo non fluisce una corrente elettrica gli aghi delle bussole tendono ad orientarsi in direzione nord-sud. Se passa una

corrente attraverso il filo, gli aghi delle bussole, poste su di un piano perpendicolare al filo stesso e con il filo al centro, tendono a disporsi in modo da formare cerchi concentrici. Se si mette della limatura di ferro attorno al filo questa si dispone in modo da formare cerchi concentrici attorno al filo. L'effetto è tanto più intenso quanto più si considera un zona vicina al magnete e tanto più è intensa la corrente che passa attraverso il filo. Il campo magnetico prodotto da un filo rettilineo percorso da una corrente elettrica è sempre perpendicolare al filo.

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10 – L'interazione tra un magnete e una bobina percorsa da una corrente elettrica Una bobina percorsa da una corrente è attratta o respinta da un magnete in base alla direzione in cui circola la corrente al suo interno. L'effetto è amplificato se si inserisce un nucleo di materiale ferromagnetico nella bobina. Una bobina percorsa da una corrente elettrica si comporta come un barra magnetica

11 –L'interazione tra piccole bobine percorse da corrente Due bobine a singolo avvolgimento, affacciate l’un l’altra e attraversate da una corrente elettrica, si attraggono o respingono l’un l’altra a seconda del verso della corrente in ognuna di esse.

12 –L'interazione tra bobine percorse da corrente Due bobine, ognuna delle quali formata da un certo numero di avvolgimenti, sono poste vicino. Quando vengono attraversate da una corrente elettrica esse si attraggono o si respingono a seconda del verso della corrente, come nel caso dell’esperimento precedente. L’effetto magnetico dipende dal numero di avvolgimenti delle bobine.

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Come costruire il proprio superconduttore Bernadette Schorn, Munich (D) La temperatura critica (Tc) dei conduttori YBaCu è intorno agli 80K, sufficientemente elevata da consentire l’uso di azoto liquido a buon mercato (77K). Cosi è possibile fare degli esperimenti con questi superconduttori e anche produrne in granuli a scuola. La ricetta per cuocere questi superconduttori si legge come una ricetta per una torta: ossido di ittrio: 0,565g carbonato di bario: 1,97g ossido di rame: 1,19g copper oxide: 1,19g. Mescolare accuratamente e schiacciare l’impasto in un mortaio di agata fino ad ottenere una polvere consistente. Questa polvere quindi deve essere premuta in granuli.

Dopo che i granuli sono stati cotti per più di un giorno a 950 gradi centigradi, devono essere raffreddati passo dopo passo per un altro giorno.

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Questi granuli devono essere schiacciati, pressati e infornati ancora una volta, ma non per molto tempo. Dopo il processo di cottura, i superconduttori possono essere testati, ad esempio nella forma dei seguenti eccitanti esperimenti e facili da eseguire: se il campione è piccolo, è meglio utilizzare un anello magnetico e lasciare che il campione raffreddato galleggi sopra. Il campione si riscalderà al di sopra della Tc entro pochi secondi e poi smetterà di galleggiare. Un’altra possibilità è quella di inserire un grosso campione proprio nell’azoto liquido. Se un forte magnete galleggia sopra il campione, allora il campione supera il test per la superconduttività. Per l’effetto Meissner-Ochsenfeld il magnete è posto sul campione a temperatura ambiente. In base alle leggi classiche, nessun galleggiamento dovrebbe accadere perché il campo magnetico non varia più. Ma dopo il raffreddamento del campione il magnete galleggerà. Questo dimostra che la superconduttività è ancora più perfetta del diamagnetismo

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Misura della temperature di transzione di un supercondutore

Gren Ireson, Loughborough (UK) Questo articolo è stato pubblicato su : physics education, 6/41, p. 556 http://www.iop.org/EJ/article/0031-9120/41/6/012/pe6_6_012.pdf?request-id=yjmElR973BG1Y-Qd3Ai7Kg

Abstract Questo articolo presenta la metodologia ed i risultati per un semplice approccio alla misurazione della temperatura di transizione di un materiale superconduttore, in una sessione di laboratorio pre universitaria, utilizzando apparecchiature disponibili facilmente ( e un po’ di azoto liquido) Introduzione Questo giornale ha di recente pubblicato un rapporto (Ostermann e Ferriera, 2006) sull’approccio per preparare insegnanti della scuola superiore che insegneranno ai loro allievi la superconduttività (Brasile). Nonostante ciò, molti lettori forse non sanno che esiste un progetto europeo che ha lo stesso scopo, cioè SUPERCOMET2, che coinvolge 15 paesi europei. SUPERCOMET (Superconductivity Multimedia Educational Tool) è basato su una serie di moduli multimediali che coprono elettricità, magnetismo, elettromagnetismo e superconduttività (Earle et al, 2004). Questo lavoro viene pubblicato in inglese, italiano, norvegese e sloveno. Ora SUPERCOMET2 sta portando avanti questo lavoro e includerà sia un seminario per gli insegnanti che un kit di supporto per gli insegnanti stessi che gli aiuterà ad aggiornare le loro conoscenze, esplorare delle opportunità per attività scolastiche e utilizzare il kit per lo svolgimento di queste attività. Nel 2007 si spera di pubblicare questo lavoro nella lingua di tutti i paesi partecipanti. Come parte del seminario per gli insegnanti, i partecipanti misurano la temperatura di transizione di un superconduttore YBCO3. Quanto segue mostra la metodologia e presenta i risultati dell’ultimo seminario per insegnanti che si è tenuto a Loughborough, Inghilterra nel marzo 2006.

Misura di resistenza In teoria la misura è semplice, a quale temperatura la resistenza del materiale scende a zero? Misurare la resistenza è familiare a tutti gli allievi di fisica della scuola superiore tramite l’applicazione della legge di Ohm e questa è la base del metodo in uso. Per sfortuna, la configurazione tipica mostrata nella figura 1 non può essere applicata.

Per misurare quando la resistenza scende a zero, ad esempio quando la corrente attraversa il campione con una differenza di potenziale pari a zero nel campione stesso, bisogna usare “il contatto a quattro punte”, guardare la figura 2 : vi sono quattro porte collegate al campione. Due di esse vengono usate per far scorrere una corrente I attraverso il campione. Il secondo paio di porte vengono usate per misurare V. Siccome nessuna

Figura 1: una semplice misura di resistenza

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Alla termocoppia

V

A

Campione superconduttore

corrente scorre nel secondo paio di porte, le resistenze dei contatti non contano. La resistenza della parte del campione tra il secondo paio di contatti sarà R=V/I dalla legge di Ohm (Annett, 2004)

La resistività , ρ, è legata alla resistenza, R, da:

Dove L e A sono, rispettivamente, lunghezza e sezione trasversale. Poi misurando R = 0 quando I è finita implica che ρ è zero.

Misura della temperatura Dato che la temperatura di transizione di YBCO è di 92K (vedere Annett, 2004), allora abbiamo bisogno di una termocoppia per la misurazione della temperatura. Dato che la termocoppia fornirà come output un potenziale (mini-volt in questo caso), ciò rappresenta un’occasione per gli allievi per produrre un grafico di calibrazione per la termocoppia. In questo caso, una tabella dati è stata fornita e questi dati sono stati usati per produrre l’equazione di conversione. The experimental set up Creare i quattro punti di contatto può essere fatto attaccando i contatti direttamente al campione superconduttore e un approccio simile può essere adottato sia con una termocoppia commerciale che con una prodotta da noi utilizzando

A

V

Superconducting sample

Figure 2: contatto a quattro punte per misure di resistenza

Figura 3: un contatto a quattro punte con vernice d’argento

A

LR ρ=

100

vernice d’argento conduttrice. Il progetto SUPERCOMET2 intende produrre dei campioni con i contatti pronti per l’uso e quanto segue utilizza un contatto a quattro punte commerciale e l’unità termocoppia, disponibile presso Colorado Superconductors, http://www.users.qwest.net/csconductor/ . Qui i contatti vengono aggiunti direttamente al campione, durante la fabbricazione e protetti da un involucro in ottone. La figura 4 mostra lo schema dell’esperimento creata per avere i risultati presentati.

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Insulated drinking cup

Aluminium drinks can

Glass beads

Four-point contact set-up*

To voltmeter 1

Thermocouple leads, to voltmeter 2

To ammeter and variable resistor

Figure 4: the experimental set-up

Metodo Un resistore variabile è attivato in modo che la corrente, attraverso le porte nere, è costante e non supera 0.5 A (per avere i risultati qui ottenuti si è usata una lettura di corrente di 0.40A ) . I materiali superconduttori hanno una corrente critica, Ic, al di sopra della quale la resistività diventerà finita e un limite di 0.5 A assicura che non sia questo il caso.

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L’interno del contenitore viene riempito con azoto liquido finche la lettura nel voltmetro 1 scende a zero. Quando un cambiamento viene osservato nel voltmetro 1,le letture dei due voltmetri vengono registrate e questi dati vengono trasferiti su un foglio di calcolo. Una semplice applicazione di V=I/R permette di calcolare la resistenza a partire dalle letture del voltmetro 1 e l’uso dei dati di conversione permette alla lettura nel voltmetro 2 di generare una temperatura. La figura 5a mostra i dati di conversione, relativi all’equazione di conversione, per la termocoppia utilizzata e la figura 5b mostra i dati grezzi raccolti.

Temperatura/K Potenziale/mV 60 7.60 70 6.92 80 6.29 90 5.90 100 5.52 110 5.16 120 4.81

130 4.46 140 4.11 150 3.76 160 3.43 170 3.12 180 2.83 190 2.52 200 2.23 210 1.93 220 1.64 230 1.39 240 1.14 250 0.89 260 0.65 270 0.40 280 0.20 290 0.00 300 -0.20

Figura 5a: conversione dati per la termocopia

Figure 5b: dati grezzi racclti

V1/V Corrente/A Resistenza/Ω V2/mV Temperatura/K 0.0 0.4 0.0 6.3 83.0 0.0 0.4 0.0 6.2 85.1 0.0 0.4 0.0 6.1 87.3 0.0 0.4 0.0 6.0 89.6 0.2 0.4 0.5 5.9 91.8 0.5 0.4 1.3 5.9 91.8 0.6 0.4 1.5 5.9 91.8 0.7 0.4 1.8 5.9 91.8 0.8 0.4 2.0 5.9 91.8 0.9 0.4 2.3 5.8 94.2 1.0 0.4 2.5 5.8 94.2 1.0 0.4 2.5 5.7 96.5 1.1 0.4 2.8 5.6 98.9 1.1 0.4 2.8 5.5 101.3 1.1 0.4 2.8 5.4 103.8

*Adattato da http://www.users.qwest.net/~csconductor/, 25.04.06

Questo dà l’equazione di conversione: T = 1.77V2 - 43.80V + 288.67

103

Le perline di vetro forniscono una grande capacità termica che impedisce che la temperatura aumenti troppo velocemente, ricordare che si deve leggere con attenzione i due voltmetri.

Risultati Utilizzando un semplice foglio di calcolo si può permettere che la temperatura di transizione venga mostrata in un grafico temperatura/resistenza come si vede nella figura 6. La temperatura di transizione viene letta come la più alta temperatura nella quale R è uguale zero.

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Figura 6: grafico per mostrare la temperature di transizione

Referenze Annett, J. F. (2004) Superconductivity, Superfluids and Condensates, Oxford, Oxford University Press. Earle, A., Frost, J., Engstrøm, V., Čepič, M., Planinšič, G., Ireson, G. And Ciapperelli, S. (2004) SUPERCOMET Superconductivity Multimedia Educational Tool, Trondheim, Simplicatus. Ostermann, F and Ferreira, L M (2006) Preparing teachers to discuss superconductivity at high school level: a didactical approach, Physics Education 41 (1) pp 34-41

Temperatura/K

Resistenza/Ω

Temperatura di transizione/ ~90K

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

80.0 85.0 90.0 95.0 100.0 105.0

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Valutazione

Infomazioni base Questi materiali sono offerti per il vostro utilizzo ma possono essere adeguati per la vostra particolare situazione. Non siete tenuti ad usarli tutti, ma solo quelle che si adattano al vostro sistema si valutazione , e si possono anche adattare. Questi materiali rappresentano un insieme fornito dai nostri partner. Tutti i moduli contengono lo spazio per classe/insegnante/codice dell’allievo- questo assicura che i vari risultati possano essere correlati con altri, se necessario.

Se non siete interessati a fare questa correlazione, non c’è bisogno di inserire i numeri. E’ possibile usare i nomi, ma ciò potrebbe creare problemi di privacy.

Expert review of materials Se volete fare una revisione dei materiali, qui si forniscono due approcci. Il primo è quello che si dovrebbe usare normalmente , ed è lo stesso che abbiamo usato nella prima revisione degli esperti. Viene fornita anche una traduzione di un modulo usato dai nostri partner spagnoli a Murcia nella loro ricerca sugli hypermedia, perché essa contiene alcune questioni interessanti e dettagliate che possono essere usate nella vostra ricerca. Expert_review_no1.exe (come nel programma di esecuzione – SC Intranet) Commenti degli insegnanti riguardo ai materiali Questi sono i materiali da usare se si vuole ottenere un veloce metodo per ottenere risposte dagli insegnanti: -suggerimenti per focalizzare gruppi di questioni, o del materiale per la discussione on line -questionari Conoscenza degli allievi delle TIC Può essere utile sapere il grado di conoscenza degli allievi sulle TIC per capire così quali effetti ha sull’utilizzo dei materiali. Questo questionario dovrebbe essere utilizzato solo quando si ha tempo pieno per stare con gli allievi, perchè i loro commenti sui materiali (vedere la prossima sezione) hanno più rilevanza per questo progetto. Il punto di vista degli allievi sui materiali Qui ci sono dei suggerimenti per un questionario ed un’intervista: -intervista -questionario Osservazione in classe Informazioni più dettagliate sui materiali SUPERCOMET2 si possono avere a partire da una serie di osservazioni in classe, i seguenti materiali forniscono una base per eseguire questa attività: Tre strumenti si forniscono qui: -dati sulla conoscenza degli allievi- per una serie di osservazioni con la stessa classe, questi dati verranno compilati una sola volta -osservazioni su una particolare lezione - una relazione finale e una riflessione su una serie di lezioni svolte dallo stesso insegnante.

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Relazione degli esperti: due esempi Si presentano qui delle direttive di valutazione eseguite dai gruppi di Murcia e Udine come una guida potenziale per portare avanti una valutazione completa.

UDINE A. All’inizio dello studio l’insegnante compila una breve relazione sulla conoscenza della classe B. Successivamente l’insegnante produce una valutazione iniziale sui singoli allievi (identificati

da un codice), nella quale si valutano (1) abilità, (2) interesse, (3) coinvolgimento, (4) socializzazione e (5) rendimento.

Gli insegnanti classificheranno ognuno di questi punti con un numero da 1 a 5, in accordo con le seguenti definizioni:

1. chiaramente al di sopra della media 2. appena al di sopra della media 3. nella media 4. appena al di sotto della media 5. chiaramente al di sotto della media

C. Alla fine di ogni sezione , l’insegnante compilerà (il prima possibile dopo la sezione) una

breve descrizione delle sezioni. D. Alla fine dello studio l’insegnante compilerà una relazione finale, in formato libero,

cercando di sintetizzare i commenti giornalieri. E. L’insegnante creerà una valutazione finale di ogni allievo utilizzando lo stesso codice che si

è utilizzato nel punto B. Il punteggio fa riferimento a quello che si è fatto durante lo studio. F. Alla fine dello studio alcuni degli allievi vengono intervistati (almeno tre che hanno ottenuto un punteggio basso e tre che hanno ottenuto un punteggio medio alto) e, se possibile, si organizza una discussione collettiva moderata dall’insegnante. Quando vengono intervistati, agli allievi viene consentito di cercare il materiale raccolto durante le attività svolte. Prima dell’intervista, agli allievi si chiede di visionare (a casa,o, se c’è tempo sufficiente, in classe) l’ intero lavoro svolto.

MURCIA Il modulo sulla conduzione elettrica venne utilizzato in questo studio. Un libro di esercizi venne preparato, gli allievi dovevano averlo con sé mentre usavano i materiali SUPERCOMET2. Il processo di insegnamento è durato 5 sessioni in classe; il processo di apprendimento è stato autonomo per quanto possibile, cosi che gli allievi hanno effettuato gli esercizi basandosi sulle osservazioni, sulle animazioni, e sui testi contenuti nei materiali. Quando era necessario, gli insegnanti fornivano in aggiunta informazioni che gli allievi non potevano ricavare dalle slides, oppure spiegavano alcuni concetti quando ciò veniva chiesto dagli allievi.. Molti questionari e strumenti, disegnati per una tesi PhD “valutazione dell’insegnamento multimediale”, di Lucia Amoròs Poveda , dell’Università di Murcia, vennero utilizzati (2004). Siccome gli strumenti sono già stati valutati, non è stato necessario valutare i questionari. Il raccoglimento dati è stato effettuato in accordo con i seguenti orari: Maggio 2006 Strumenti Lavoro multimediale Martedì 16 14:20 – 15:15 Atteggiamenti ICT e

conoscenza del questionario

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Mercoledì 17 14:20 – 15:15 Pre test sulla conduzione elettrica

Gli allievi lavorano con il materiale multimediale

Giovedì 18 9:00 – 10:00 Venerdì 19 11:20 – 12:15 Osservazione Venerdì 19 12:30 – 13:25 Osservazione Martedì 23 14:20 – 15:15 Mercoledì 24 14:20 – 15:15 Giovedì 25 9:00 – 10:00 Dopo test sulla conduzione

elettrica

Venerdì 26 11:20 – 12:15 Questionario SUPERCOMET2

Commenti degli insegnanti sui materiali

Focus groups/discussione on-line (Insegnanti) Fisica: -quanto è importante introdurre temi di fisica contemporanea? -la superconduttività è un argomento adatto da introdurre nel curriculum nazionale di fisica? - l’introduzione di argomenti di fisica contemporanea quali la superconduttività, motivano i nostri allievi? Questo fa si che l’apprendimento dei contenuti di fisica sia semplice o più difficile? I materiali SUPERCOMET2 -quanto utili per l’insegnamento della fisica sono i materiali del cd rom SUPERCOMET2?

code number

inseganante

Studenti al BRG Kepler Graz, lavorano con l’applicazione SUPERCOMET2

108

-i materiali contengono i moduli corretti? Il bilanciamento tra gli argomenti è corretto? -è possibile utilizzare una risorsa quale il cd SUPERCOMET2 per sviluppare un contenuto che ancora non si trova nel curriculum nazionale o anche per integrare il curriculum nazionale?

Questionario (Insegnanti) 1. in quale misura lei considera utili per il suo insegnamento le seguenti parti di materiali?

Non utile del tutto

Un po’ utile

Molto utile Estremamente utile

Non so

Informazione sull’argomento (superconduttività)

Esperimenti Programma di apprendimento

Commenti

2. secondo la sua opinione, quanto sono attraenti ed interessanti per i suoi allievi i materiali?

Non del tutto attraenti

Un po’ attraenti

Molto attraenti Estremamente attraenti

Non so

Informazione sull’argomento (superconduttività)

Esperimenti Programma di apprendimento

Commenti

3. Come possono essere migliorati i materiali? 4. Come userebbe i materiali nella sua classe? ( Ad esempio, come preparazione o come ripasso, per lavoro in classe o per lavoro a casa, esposizione all’intera classe utilizzando un proiettore dati, o in un aula computer dove ogni allievo ha l’accesso ad un computer, come sostituto dei libri di testo, o come un aggiunta ai libri di testo). 5. Problemi: -ha notato qualche mancanza nel software? (per favore fornisca una lista delle parti mancanti) -ha notato degli errori nei contenuti fisici? (per favore fornisca una lista degli errori) -ci sono state delle difficoltà particolari nell’utilizzo dei materiali?

code number

insegnante:

109

Commenti degli studenti sui materiali

Intervista (Sudenti) code number studente: (Intervistatorer: registra età e sesso dell’intervistato). 1. Cosa hai imparato da questo lavoro sulla superconduttività utilizzando i materiali

SUPERCOMET2? Le risposte possono essere organizzate in questo modo: -concetti -leggi e formule -diversi modi di rappresentazione -abilità in laboratorio -abilità relative all’utilizzo del software

2. Quali sezioni del corso ti sono piaciute di più? Perché? 3. Quali sezioni del corso ti sono piaciute di meno? Perché? 4. Cosa hai imparato da: -discussioni -lavoro in laboratorio -lavoro al computer -studiando a casa 5. Andiamo a rivedere qualche parte del lavoro che abbiamo fatto. L’insegnante seleziona una sezione di un argomento e verifica il grado di acquisizione del contenuto specifico rivolgendo allo studente delle domande specifiche.

Questionario (Studentei) code number studente:

In order to help us improve the SUPERCOMET2 materials, please answer the following questions: 1 Maschio/ Femmina

2 Età :

In forte disaccordo

In disaccordo

Un po’ d’accordo

In forte accordo

Non so

3 Ho trovato interessante la fisica

4 Ho trovato interessante l’argomento superconduttività

5 I materiali SUPERCOMET2 sono interessanti

6 I materiali SUPERCOMET2 stimolano la mia immaginazione

110

7 I materiali SUPERCOMET2 sono facili da usare

8 I materiali SUPERCOMET2 sono attraenti

9 I materiali SUPERCOMET2 mi hanno aiutato ad apprendere

10 I materiali SUPERCOMET2 offrono delle esperienze significative

11 La quantità di testi contenuti in SUPERCOMET2 è sufficiente

12 I testi contenuti in SUPERCOMET2 sono facili da leggere e da capire

13 La quantità di immagini contenute in SUPERCOMET2 è sufficiente

14 Le immagini contenute in SUPERCOMET2 sono chiare e comprensibili

15 Le immagini contenute in SUPERCOMET2 spiegano bene l’argomento

16 La grafica delle pagine nel materiale SUPERCOMET2 è buona

17 Il movimento delle animazioni nel materiale SUPERCOMET2 e la velocità dei cambi di schermate sono buone

18 Le animazioni contenute nel materiale SUPERCOMET2 mi hanno aiutato a capire

19 Ho trovato delle sorprese tra le cose offerte dal materiale

111

SUPERCOMET2 20 I materiali

SUPERCOMET2 hanno promosso le discussioni in classe

21 Il materiale SUPERCOMET2 ha cambiato il mio atteggiamento di fronte a certe cose

22 Gli sperimenti svolti nel corso sulla superconduttività erano interessanti

23 Quali parti del corso sulla superconduttività usando il materiale SUPERCOMET2 ti sono piaciute di più e sono state facili da usare?

24 Pensi che hai imparato di più usando il materiale SUPERCOMET2? Fornisci delle ragioni alle tue risposte

25 Elenca due cose che pensi siano state buone riguardo al materiale SUPERCOMET2. A B

26 Elenca due cose che pensi non sono state buone riguardo al materiale SUPERCOMET2. A B

27 Raccomanderesti l’utilizzo del materiale SUPERCOMET2 ad altri allievi? Fornisci delle ragioni alle tue risposte

28 Cosa dovrebbe essere cambiato/migliorato nei materiali SUPERCOMET2? 29 Per utilizzare i materiali SUPERCOMET2 pensi che servano delle conoscenze specifiche

d’informatica? Fornisci delle ragioni alle tue risposte Per utilizzare i materiali SUPERCOMET2 pensi che servano delle conoscenze specifiche di scienza? Elenca le aree dove si ha bisogno di conoscenza. Fornisci delle ragioni alle tue risposte

30 Hai qualche altro commento circa i materiali SUPERCOMET2: Grazie per le tue risposte!

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Osservazione di classe Dati sulla classe Generali Codice: Scuola: Classe: Numero di allievi coinvolti: Storia La classe è coinvolta in altri progetti futuri? La classe è stata coinvolta in altri progetti in precedenza? Quale era il programma d’insegnamento in uso prima di questo progetto? Quali argomenti di fisica sono stati fatti prima di questo progetto? Insegnante Quale è il livello della didattica in fisica dell’insegnante? Quale è il livello nell’uso delle TIC o l’esperienza nell’uso delle TIC dell’insegnante? Allievi Quale è il livello medio della classe? Come descriverebbe il loro impegno di studio? Come descriverebbe i risultati che hanno raggiunto sinora? Quale è il livello di esperienza degli allievi nell’utilizzo delle TIC ? Quale è il livello di interesse per la fisica? Insegnamento Utilizzo del laboratorio Frequenza (percentuale totale delle ore in laboratorio) % Procedura: In piccoli gruppi % Dimostrazioni dalla scrivania del docente % Apparecchiature da laboratorio utilizzate: Tecniche di insegnamento Lezioni frontali % Discussioni (libere o facilitate) % Laboratori % Soluzione collettive di problemi % Lavoro in piccoli gruppi % Lavoro al computer % Prove orali % Altri strumenti di verifica (specificare) % Altro (specificare) % Utilizzo del computer in classe Frequenza (percentuale totale di ore) % Procedura:

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In piccoli gruppi % Dimostrazioni % Software: Simulazioni (specificare) % Programmazione % Foglio di calcolo % Registrazione di dati % Utilizzo di ipertesti/multimedia (specificare) % Sviluppo di ipertesti/multimedia % Altro (specificare) % Osservazione della lezione in classe Generali Codice della classe: Codice del docente: Codici degli allievi: Numero di allievi presenti: Tempo assegnato: Accesso ai computer (numero dei computer, ecc.): Data: Obiettivi della lezione (argomento) Per favore descrivere brevemente gli obiettivi della lezione, gli argomenti che si Svolgeranno, e gli obiettivi di apprendimento. Procedura Fornire una breve descrizione del tipo di lavoro svolto durante la lezione (per favore annotare il tempo che richiede ogni attività quando questa supera i 10 minuti) Indicare l’utilizzo di presentazioni, discussioni, esperimenti in laboratorio, moduli dei cd, e altri materiali (opuscoli, libri di testo, e multimedia) forniti agli allievi Si presentano qui le tre griglie che possono aiutare a registrare ciò che succede in classe: Attività con il computer

Osservazione Valutazione dell’intensità di utilizzo +++ ++ + - -- ---

Gli allievi chiedono all’insegnante

Riguardo al computer

Riguardo al multimediale

Altro Gli allievi chiedono ai compagni

Riguardo al computer

Riguardo al multimedia

Altro Gli allievi non chiedono

Strategie di problem solving

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Osservazione Valutazione dell’intensità di utilizzo + + + + + + - - - - - - scrivono (carta, penna, matita,ecc.)

utilizzano l’aiuto dei materiali di supporto

prendono appunti

Atmosfera di Classe

Calma Tesa

Individuale Di gruppo

Rumorosa Tranquilla

Gradevole Sgradevole

Buona Cattiva

Noiosa Divertente

Problems If problems occurred, then please describe them, and what action was taken to overcome them.

General Observations/Evaluation Were the materials motivating and did they keep the pupils’ attention? Which parts did they enjoy most? Did the pupils understand the materials? Indicate any area they had particular difficulty with, or where they asked for additional explanations. How did the pupils respond to the animations? How satisfied were you as a teacher with the lesson? Give reasons for your answer. Any other comments?

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Osservazioni in classe – Relazione finale dell’insegnante Codice dell’insegnante: Codice della classe: Alla fine del progetto, l’insegnante dovrà compilare una relazione finale. Questa può essere fatta nella forma che l’insegnante desideri, ma gli si chiederà di includere nella relazione i seguenti punti: Una valutazione del materiale impiegato: Il loro utilizzo era semplice? Erano effettivamente compresi dagli allievi? Il tempo pianificato per ogni attività era appropriato? La difficoltà concettuale dei materiali era adeguata per il livello degli allievi? Ci sono stati dei problemi (per favore specificare se ci sono stati dei problemi con l’utilizzo dei moduli del cd)? Fornire una valutazione sintetica e soggettiva, indipendentemente dei risultati delle possibili prove, su come lo studio sia stato utile sia per scopi specifici (ad esempio, la comprensione dell’induzione elettromagnetica) che per scopi più generici (coinvolgimento, comprensione dell’utilizzo dei modelli, sviluppo di atteggiamenti positivi verso la materia, ecc.) Se ci sono state delle difficoltà, come sono state risolte? Ci sono stati dei collegamenti con altri argomenti di fisica o con altre materie? Come si sono comportati gli allievi nel corso del progetto, erano interessati, desiderosi, critici (confrontando ciò col loro normale comportamento al di fuori di questo progetto); hanno lavorato bene insieme? Ci sono state delle situazioni nel corso del progetto nelle quali il comportamento dei singoli allievi era chiaramente diverso (sia in modo positivo che negativo) dal loro comportamento normale? Per favore fornisca qualsiasi altro commento (sia specifico che generico) riguardo ai materiali, e proporre dei suggerimenti su come questo possa essere cambiato o migliorato. Per favore, concluda dicendoci brevemente se lei pensa che il lavoro svolto sia stato di utilità, oppure se lei pensa che i costi per questo progetto potevano essere impiegati in un modo più tradizionale.

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Ulteriori risorse

Books on Superconductivity

Annett, F. J. (2004) Superconductivity, superfluids and condensates, Oxford, OUP Buckel, W. and R. Kleiner (2003). Superconductivity: fundamentals and applications. Weinheim, Wiley. Evetts, J., Ed. (1992). Concise Encyclopedia of Magnetic & Superconducting Materials. Advances in materials science and engineering. Oxford, Pergamon. Fossheim, K. and A. Sudbo (2004). Superconductivity: Physics and Applications. John Wiley & Sons. Rose-Innes, A. C. and E. H. Rhoderick (1978). Introduction to Superconductivity. Oxford, Pergamon. Tinkham, M. (1996). Introduction to Superconductivity. New York; London, Mc Graw Hill. Vidali, G. (1993). Superconductivity: the next revolution? Cambridge, Cambridge University Press.

Risorse in Web sulla Superconduttività

http://superconductors.org – Superconductors.org è un sito web non-profit, non-affiliato che vuole introdurre principianti e persone non-tecniche nel mondo dei superconduttori. http://superconductors.org/Links.htm – Vasto elenco di link sulla sperconduttività dallo stesso sito . http://www.ornl.gov/info/reports/m/ornlm3063r1/contents.html – Una Guida per l’insegnante sulla superconduttività per studenti di scuola superiore prodotta da Oak Ridge National Laboratory http://www.physicscentral.com/action/2001/supcon.html – Breve introduzione alla supercondutività di Physics Central . http://physicsweb.org/bestof/superconductivity – Il meglio dei web di fisica prodotto dall’ Institute of Physics. http://hypertextbook.com/physics/modern/superconductivity/ – breve manuale di superconduttività

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Materiali Online per l’insegnamento della Superconduttività

http://www.psigate.ac.uk/ – Physics sciences information gateway http://www.practicalphysics.org – sito web per insegnanti per scambiare esperimenti. http://www.teachingphysics.iop.org – l’ Institute of Physics fornisce un certo numero di utili materiali per l’insegnamento della fisica, compreso di superconduttività.

Materiali e Kit dimostrativi di Superconduttività http://www.superconductors.org/Play.htm fornisce una lista internazionale di fornitori di kit per le dimostrazioni, soprattutto in US.

Referenze sull’uso delle TIC nell’insegnamento delle scienze Barton, R., Ed. (2004). Teaching Secondary Science with ICT. Learning & Teaching with Information & Communications Technology. Maidenhead and New York, Open University Press. Fullick, P. (2004) : Knowledge building among school students working in a networked computer supported learning environment. Southhampton 2004. http://www.soton.ac.uk/~plf/rsch1.htm Osborne, J. and S. Hennessy (2003). Literature Review in Science Education and the Role of ICT: Promise, Problems and Future Directions, NESTA Futurelab. http://www.futurelab.org.uk/resources/documents/lit_reviews/Secondary_Science_Review.pdf http://schools.becta.org.uk/ Becta’s one-stop shop aimed at school practitioners offe-ring a wide range of information, advice and guidance on using ICT. http://www.leggott.ac.uk/pdfs/awards/ICTinsupport.pdf fornisce una buona rassegna sull’uso delle TIC come supporto per l’insegnamento delle scienze

vedi anche : Newton, L. R. and Rogers, L. (2001) Teaching Science with ICT, London, Continuum

Wellington, J and Ireson, G (2007) (capitolo 7) Science Learning, Science Teaching, London, Routledge

Altre referenze usate nella Guida per l’Insegnante

Institute of Physics (2004), The post-16 Initiative. Radical, forward looking initiative by the Institute of Physics, shaping and developing physics for all involved post-16. Wellington, J. (2004). Multimedia in science teaching. Teaching Secondary Science with ICT. R. Barton. Maidenhead; New York, Open University Press. European Commission, Directorate-General for Research, Information and Communication Unit (2007) : The Rocard Report on Science Education. http://ec.europa.eu/research/science-society/document_library/pdf_06/report-rocard-on-science-education_en.pdf

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