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Materiali superconduttori ad alta temperatura critica per la costruzione di cavi per trasporto di energia: proprietà elettriche, magnetiche ed effetti delle sollecitazioni meccaniche sulla corrente critica

Informazioni tesi

  Autore: Francesco Sciocchetti
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 1997-98
  Università: Università degli Studi di Bologna
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Elettrica
  Relatore: Gian Carlo Montanari
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 517

In questa tesi si è studiato il comportamento di campioni di questi nastri. Si sono scelte, come sollecitazioni, la trazione, l’allungamento ed il piegamento. Mediante dispositivi concepiti ad hoc è stato possibile sottoporre i provini a trazione ed allungamento in azoto liquido, quindi nelle reali condizioni di utilizzo del nastro superconduttore. Il grado di deterioramento dei campioni è stato valutato misurando la densità di corrente critica dopo aver impresso la sollecitazione. Per effettuare queste misure è stato ideato e realizzato un sistema che consente la rilevazione automatica, gestita via software, della caratteristica voltamperometrica. Questo sistema ha consentito anche di realizzare prove di invecchiamento meccanico dei nastri superconduttori rinforzati, che ne hanno, congiuntamente alle prove di breve termine, rivelato le ottime caratteristiche meccaniche. Allo scopo di evidenziare l’enorme passo avanti che si è compiuto dai parte dei produttori di superconduttori sono stati riportati risultati di lavori precedenti. I materiali che compongono il nastro sono stati caratterizzati anche dal punto di vista elettromangetico rilevandone il ciclo d'isteresi dinamico. Nel presente lavoro si sono utilizzati, per effettuare queste misure, circuiti messi a punto precedentemente, apportando però piccole migliorie resesi necessarie nel procedere delle prove. Nel primo capitolo di questa tesi sono illustrati i vari aspetti della teoria della superconduttività. Nella prima parte del secondo capitolo ci si sofferma sui materiali superconduttori ad alta temperatura critica, con particolare attenzione agli ossidi cuprati, dei quali sono descritte le caratteristiche ed i metodi di preparazione; nella seconda parte sono descritte le applicazioni attuali e future dei superconduttori, con particolare attenzione ai cavi per il trasporto di energia e tutte quelle applicazioni, attinenti l’ingegneria elettrica, che prevedono l’uso di superconduttori ad alta temperatura critica. Nell’ultima parte, infine, si è cercato di fornire una valutazione di quelle che sono le prospettive di mercato di questi materiali. Nel terzo capitolo vengono introdotte le misure effettuate per descrivere il comportamento dei materiali e illustrati i relativi sistemi e circuiti di misura. Nel quarto capitolo sono riportati e discussi i risultati delle prove volte alla caratterizzazione elettromagnetica dei materiali utilizzati. Nel quinto e nel settimo capitolo sono riportati e discussi i risultati delle prove di resistenza alle sollecitazioni meccaniche a breve e lungo termine. Nel sesto capitolo sono stati riportati i risultati relativi all’analisi della caratteristica tensione-corrente con un metodo sperimentale.
Nell’appendice sono riportati i listati dei programmi che sono stati realizzati per l’acquisizione e l’elaborazione dei dati.

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VIII INTRODUZIONE Con il nome di superconduttività si indica l'insieme delle peculiari proprietà elettriche e magnetiche che alcuni materiali manifestano quando vengono raffreddati a temperature estremamente basse (inferiori ad un valore, detto critico, caratteristico del materiale). Sostanzialmente, le proprietà necessarie per poter classificare un materiale come superconduttore sono due: ξ Assenza di resistenza al fluire della corrente elettrica ξ Espulsione del campo magnetico dal materiale. In un superconduttore la resistività, se non è nulla, è comunque talmente piccola da non essere misurabile (<10 -23 :cm) e il materiale, da questo punto di vista, può essere considerato come un conduttore perfetto: una corrente elettrica può fluire al suo interno in assenza di campi elettrici. Una conseguenza è l'esistenza di correnti persistenti: indotta una corrente in un superconduttore di forma anulare, per esempio, questa mantiene il valore iniziale in assenza di ogni sorgente di forza elettromotrice. Per tali correnti persistenti sono state osservate durate di oltre due anni. Un superconduttore raffreddato al di sotto della sua temperatura critica diventa perfettamente diamagnetico, cioè praticamente impermeabile alle linee di flusso del vettore induzione magnetica. Tali linee di flusso, non potendo attraversare il corpo, ne vengono distorte ed esercitano su di esso un'azione repulsiva (il superconduttore è così in grado di levitare magneticamente). L'importanza di questo comportamento è data dal fatto che esso non è semplicemente una conseguenza dell'assenza di resistenza.

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Parole chiave

ciclo di isteresi
densità di corrente critica
distribuzione di weibull
sollecitazioni meccaniche
superconduttori
tecnologie elettriche
cuprati
trasporto di energia

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