Supraleiter

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Supraleiter sind Materialien, die beim Unterschreiten einer kritischen Temperatur T_c sprunghaft ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren.

Ein Magnet schwebt über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatursupraleiter (ca. -197 °C).

Ein Magnet schwebt über einem keramischen Hochtemperatursupraleiter.

[Bearbeiten] Supraleiter

Die Temperatur $T c$ , unterhalb der die Supraleitung einsetzt, nennt man Sprungtemperatur oder kritische Temperatur. Ihr Wert ist materialabhängig und kann durch (von außen anliegende) Magnetfelder gesenkt werden. Sie sinkt beim sogenannten kritischen Magnetfeld $H c (0)$ bei Typ-I-Supraleitern bzw. $H c 2 (0)$ bei Typ-II-Supraleitern sogar bis auf nahezu Null Kelvin.

Es handelt sich beim Übergang zur Supraleitung um einen Phasenübergang zweiter Art.

Mit der Supraleitung geht der Meißner-Ochsenfeld-Effekt einher, wonach Magnetfelder bis zu einer bestimmten Stärke aus dem Leiter verdrängt werden. Aufgrund des verschwindenden Widerstandes kann sich im Inneren eines Supraleiters bis zu einer kritischen Feldstärke kein Magnetfeld ausbilden. Ein von außen angelegtes Magnetfeld induziert sofort einen Kreisstrom, der im Inneren des Supraleiters ein entgegengesetztes Feld aufbaut, welches das äußere kompensiert. Aufgrund des nicht vorhandenen elektrischen Widerstandes wird der Kreisstrom nicht mehr schwächer, das Magnetfeld bleibt erhalten. Durch den Effekt kann eine kleine supraleitende Probe im Magnetfeld zum Schweben gebracht werden. Diese Interpretation erklärt aber nicht das Verdrängen von Magnetfeldern, die vor dem Überschreiten der Sprungtemperatur im Körper stattgefunden hat.

[Bearbeiten] Einteilung

Je nach ihrem Verhalten im Magnetfeld unterscheidet man drei Typen von Supraleitern, wobei die beiden ersteren verschiedene physikalische Ursachen haben, die dritte Art jedoch eine materialwissenschaftliche Notation ist.

[Bearbeiten] Supraleiter 1. Art

Magnetische Feldlinien werden in Supraleitern 1. Art bis auf eine dünne Schicht an der Oberfläche vollständig aus dem Inneren verdrängt. Das Magnetfeld nimmt an der Oberfläche des Supraleiters exponentiell ab; das charakteristische Maß der Oberflächenschicht ist die so genannte (Londonsche) Eindringtiefe. Man bezeichnet diesen Zustand auch als Meissner-Phase. Ein Supraleiter 1. Art wird normalleitend, wenn entweder das äußere Magnetfeld einen kritischen Wert $B c$ oder die Stromdichte durch den Supraleiter einen kritischen Wert $J c$ überschreitet. Die meisten metallischen Elemente zeigen dieses Verhalten und haben in der Regel eine sehr niedrige Sprungtemperatur im Bereich weniger Kelvin. Beispiele sind Blei und Aluminium.

[Bearbeiten] Supraleiter 2. Art

Supraleiter 2. Art befinden sich nur bis zu einem unteren kritischen Magnetfeld $B c 1$ in der Meissner-Phase, darüber können magnetische Feldlinien in Form so genannter Flussschläuche in das Material eindringen (Shubnikov- oder Mischphase), ehe der supraleitende Zustand bei einem oberen kritischen Magnetfeld $B c 2$ vollständig zerstört wird. Der magnetische Fluss in den Flussschläuchen beträgt immer ein ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Flussquants:

$\Phi_0\,=\,h\,/\,(2\,e_0)\,=\,2{,}07\,\cdot\,10^{-15}\,\mathrm{Vs}$

Ein Beispiel für Supraleiter 2. Art sind die so genannten Hochtemperatursupraleiter, deren wichtigste Klasse durch ein kompliziertes Kristallgitter mit Kupferoxid-Ebenen bestimmt ist. Zwei wichtige Gruppen sind YBaCuO (Yttrium-Barium-Kupferoxide) und BiSrCaCuO (Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxide).

[Bearbeiten] Supraleiter 3. Art

In der Mischphase von Supraleitern 2. Art kommt es zu folgendem Effekt:

Fließt ein Strom mit der Dichte J durch den Supraleiter, so übt er auf die Flussschläuche eine Lorentzkraft

$F_L\,=\,J\,\cdot\,\Phi_0\,\cdot\,l$ (l = Länge des Flussschlauchs)

senkrecht zu J und dem Magnetfeld B aus. Daher wandern die Flussschläuche mit der Geschwindigkeit v quer durch das Material. Dabei verschwinden die Schläuche an einem Rand und bilden sich am gegenüber liegenden Rand neu. Diese Feldbewegung verursacht wiederum eine Lorentzkraft $F Q$ , welche nach der Lenzschen Regel dem Strom entgegengesetzt ist. Diese Gegenkraft bewirkt einen Spannungsabfall, es entsteht also ein elektrischer Widerstand im Supraleiter!

Um das zu verhindern, können in das Kristallgitter gezielt Störstellen (Pinningzentren) eingebaut werden, welche die Flussschläuche bis zu einer bestimmten Grenzkraft festhalten. Erst wenn die Lorentzkraft $F L$ diese Grenze übersteigt, kommt es zur Drift und damit zum so genannten flux-flow Widerstand.

Supraleiter mit einer großen Grenzkraft bezeichnet man als Supraleiter 3. Art oder auch harte Supraleiter. Unter dem Meißner-Ochsenfeld-Effekt versteht man die Eigenschaft von Supraleitern in der Meißner-Phase, ein von außen angelegtes magnetisches Feld vollständig aus ihrem Inneren zu verdrängen.

[Bearbeiten] Die Londonschen Gleichungen

Ohne auf die Träger des Suprastromes einzugehen, leiteten Fritz und Heinz London 1935 eine phänomenologische Beschreibung der Supraleitung her. Die Grundannahme besteht darin, dass das elektrische Feld zu einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung der Träger des Suprastromes (mit Masse $m S$ und Ladung $q S$ ) führt. Damit gilt

$m_S \frac{\mathrm{d}v_s}{\mathrm{d}t} = q_s E \,.$

Mit der Definition der Stromdichte, $j = q S n S v S$ , ergibt sich daraus direkt die erste Londonsche Gleichung

$\frac{\mathrm{d}j_S}{\mathrm{d}t} = q_S n_S \frac{\mathrm{d}v_S}{dt} = \frac{q_S^2 n_S}{m_S} E \ = \frac{1}{\Lambda} E \,.$

Die zweite Londonsche Gleichung (siehe dort) beschreibt den Meissner-Ochsenfeld-Effekt über

$\operatorname{rot}(\Lambda j_s) = -B \,.$

Anhand einer einfachen Geometrie (Magnetfeld in z-Richtung, Supraleiteroberfläche senkrecht zur x-Richtung) lässt sich damit ein exponentielles Abklingen des Magnetfeldes im inneren des Supraleiters zeigen mit der charakteristischen Londonschen Eindringtiefe

$\lambda_L = \sqrt{\frac{\Lambda}{\mu_0}} \,.$

[Bearbeiten] Einige supraleitende Materialien

Substanz	Sprungtemperatur in K	Sprungtemperatur in °C
Wolfram ^[1]	0,012	-273,139
Gallium ^[1]	1,091	-272,059
Aluminium	1,14	-272,01
Quecksilber ^[1]	4,153	-268,997
Tantal ^[1]	4,483	-268,667
Blei ^[1]	7,193	-265,957
Niob ^[1]	9,5	-263,65
AuPb	7,0	-266,15
Technetium	11,2	-266,07
MoN	12,0	-261,15
PbMo₆S₈	15	-258,15
Kohlenstoffnanoröhre ^[2]	15	-258,15
Nb₃Sn	18	-255,15
K₃C₆₀	19	-254,15
Nb₃Ge	23	-250,15
La₂CuO₄	35	-238,15
MgB₂	39	-234,15
Cs₃C₆₀	40	-233,15
YBa₂Cu₃O_7-x; x ~ 0,2 ^[3]	93	-180,15
HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x ^[3]	133	-140,15

Anmerkung: Beliebtes Kühlmittel ist flüssiger Stickstoff (Siedepunkt: 77,35 K (-195,80 °C)), oberhalb dieser Temperatur supraleitende Stoffe werden auch Hochtemperatursupraleiter genannt.

[Bearbeiten] Konventionelle Supraleitung

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt tritt bei fast allen Metallen und auch vielen anderen Materialien Supraleitung auf.

Feynman-Graph der Elektron-Phonon-WW

Diese so genannte klassische Supraleitung wird durch eine Paarbildung von Elektronen (Cooper-Paare) im Supraleiter erzeugt. Bei der normalen elektrischen Leitung entsteht der elektrische Widerstand durch Wechselwirkungen der Elektronen mit Gitterfehlern des Kristallgitters und Gitterschwingungen. Darüber hinaus können auch Streuprozesse der Elektronen untereinander eine wichtige Rolle spielen. Durch die Kopplung der Elektronen im Supraleiter zu Cooper-Paaren wird die Energieabgabe an das Kristallgitter unterdrückt und so der widerstandslose elektrische Stromfluss ermöglicht.

[Bearbeiten] BCS-Theorie

Die vollständige Theorie zur Beschreibung der klassischen Supraleitung beruht auf quantenphysikalischen Effekten, die mit der BCS-Theorie im Rahmen der Vielteilchentheorie entwickelt wurden.

Die beiden einzelnen Elektronen sind Fermionen, die sich zu einem bosonischen Paar zusammenschließen, und dabei einen makroskopischen Quantenzustand einnehmen (vgl. auch Suprafluidität).

[Bearbeiten] Eigenschaften

Supraleiter, mit geringfügigen Unterschieden zwischen 1. und 2. Art, besitzen neben dem praktischen Verlust des elektrischen Widerstandes und dem Verdrängen von Magnetfeldern aus ihrer Struktur noch einige andere Eigenschaften. Die meisten lassen sich mit der BCS-Theorie oder der für die Supraleitung benutzten Gibbs-Funktion der freien Enthalpie erklären. Die freie Enthalpie der jeweiligen Phase kann man über verschiedene Beobachtungsparameter (z. B. Druck, Temperatur, magnetischen Feld) berechnen. Die Gibbs-Funktion ist in diesem Fall durch ein Minimum festgelegt, d. h. die supraleitende Phase wird instabil im Vergleich zur normalleitenden Phase, wenn die freie Enthalpie der supraleitenden Phase größer ist, als die der normalleitenden (und umgekehrt).

Ein sogenanntes kritisches Magnetfeld $B c$ , bei dem die Supraleitung zusammenbricht, kann als Funktion der Umgebungstemperatur T betrachtet werden. In der Nähe des absoluten Nullpunktes muss $B c$ aufgewendet werden um die supraleitende Phase zu zerstören. Beim Erreichen der Übergangtemperatur $T c$ bricht die supraleitende Phase auch ohne ein äußeres Magnetfeld zusammen. Die Funktion des äußeren kritischen Magnetfeldes kann gut angenähert mit $B_c(T)=B_c(0)\cdot \left(1- \left(T/T_c \right)^2 \right)$ beschrieben werden. Die Erklärung für den Zusammenbruch der Supraleitung bei ausreichend hohen Magnetfeldern, liegt in der Bindungsenergie der Cooper-Paare. Wenn eine Energie auf die Cooper-Paare wirkt, die größer ist, als ihre Bindungsenergie, dann brechen sie auf, was den Übergang in die normalleitende Phase beschreibt. Die Umgebungstemperatur muss entsprechend niedriger sein, um diesen Vorgang mit der Kondensation von Cooper-Paaren zu kompensieren. Die kritische Energie kann nicht nur durch magnetische Felder erzeugt werden. Zur Umgebungstemperatur wurden auch Funktionen mit dem Druck (1.) und elektrischen Feldern (2.) gefunden. Da das Aufbrechen von Cooper-Paaren endotherm ist, kann man durch ein Magnetfeld $B c$ und einen darin befindlichen Stoff im Supraleitenden Zustand die Umgebung des Supraleiters abkühlen. Als technische Anwendung ist dieser Kühlprozess per Entmagnetisierung jedoch uninteressant.

Bei sehr hohem Druck sinkt im allgemeinen die kritische Umgebungstemperatur. Allerdings gibt es teilweise auch umgekehrte Abhängigkeiten. Diese Anomalie einiger Stoffe kommt durch eine strukturelle Umwandlung des Leiters durch den hohen Druck zustande. Die kritische Temperatur des Stoffes kann bei zunehmenden Druck zuerst sinken, dann kommt bei einem bestimmten Druck zur Bildung einer Modifikation, die plötzlich höhere Übergangstemperaturen aufweist. Zu diesen Hochdrucksupraleitern gehören auch Stoffe bei denen bisher nur bei hohem Druck ein Übergang in die supraleitende Phase beobachtet wurde.
Legt man eine Spannung an einen Supraleiter an, so zerstört dieses elektrische Feld ab einer bestimmten Stärke die Supraleitung. Dieser Effekt ist gemäß Forschungen von Silcher und Wamgal abhängig von der relativen Luftfeuchte. Eine Erklärung dieses Sachverhaltes steht noch aus.

Das Volumen eines Stoffes in der normalleitenden Phase $V n$ (bei Temperaturen $T > T c$ ) ist kleiner als das Volumen in der supraleitenden Phase $V s (T < T c)$ . Ist $T = T c$ so entsprechen sich beide Werte ungefähr( $V s = V n$ ). Dies ist deshalb interessant, da während der Übergangsphase beide Phasen S und N nebeneinander im Leiter existieren. Um dieses Phänomen zu erklären, sind allerdings intensivere Überlegungen notwendig.

Die spezifische Wärmekapazität erhöht sich beim Übergang vom normal- in den supraleitenden Zustand bei $T c$ für Typ-I/II-Supraleiter sprunghaft (Rutgers-Formel). Im supraleitenden Zustand selbst verringert sie sich exponentiell mit der Temperatur: Zugeführte thermische Energie würde eigentlich auf die Atomrümpfe, sowie Elektronen übergehen. Da aber die Atomrümpfe im supraleitenden Zustand nicht mit Cooper-Paaren wechselwirken (deswegen ja auch kein Widerstand), können jene auch keine Wärme aufnehmen. Die Cooper-Paare trennen sich bei Energiezufuhr. Dennoch geht Wärme auf die Atomrümpfe über (in Form von Bewegung), weswegen Temperatur An- und Abstieg möglich ist.

Der supraleitende Zustand hat wenig Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Man muss diesen Einfluss für zwei Arten von Stoffen betrachten. Zum einen Stoffe bei denen Wärme vor allem über das Gitter weitergegeben wird, was einen Großteil von Leitern ausmacht. Diese Wärmeleitung wird in der Nähe von $T c$ durch die starken Interferenzen an den Übergängen zwischen S- und N-leitenden Schichten behindert, bei $T < T c$ jedoch durch die fehlenden Wechselwirkung mit den Elektronen im Vergleich zur normalleitenden Phase besser. Bei Stoffen in denen die Elektronen einen großen Anteil an der Wärmeleitung haben, wird diese logischerweise schlechter. Es wurde in dieser Beziehung darüber nachgedacht, Supraleiter als über ein kritisches Feld steuerbare Schalter für Wärmeströme einzusetzen.

[Bearbeiten] Hochtemperatursupraleitung

Hauptartikel: Hochtemperatursupraleitung

Die Hochtemperatursupraleitung (HTSL) wurde erst 1986 entdeckt. So wird eine Klasse von keramischen Supraleitern (Kuprate) mit besonders hohen Sprungtemperaturen genannt, für die ihre Entdecker Bednorz und Müller 1987 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden.

Besonders technisch interessant sind HTSL, die eine Sprungtemperatur von über 77 Kelvin (Siedetemperatur von Stickstoff) erreichen und damit eine kostengünstige Kühlung ermöglichen. Der bekannteste Vertreter ist das Yttriumbariumkupferoxid mit der Formel YBa₂Cu₃O_7-δ, das auch als YBaCuO, YBCO oder 123 bezeichnet wird. Supraleitfähigkeit wird für δ = 0 bis 0,5 beobachtet.

T_c einiger Hochtemperatursupraleiter
Substanz	Sprungtemperatur in K
La_1.85Ba_0.15CuO₄	35
YBa₂Cu₃O₇ ^[3]	93
Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀	110
HgBa₂Ca₂Cu₃O₈ ^[3]	133

[Bearbeiten] Anwendungen

[Bearbeiten] Erzeugung stärkster Magnetfelder

Ein bedeutendes Anwendungsfeld ist die Erzeugung hoher konstanter oder nur langsam wechselnder Magnetfelder. Der ohmsche Widerstand der Spulenwicklungen konventioneller Elektromagnete erzeugt große Wärmemengen und damit einen großen Energieverlust.

Für diese Anwendung werden nur klassische Supraleiter (SL) verwendet, im Wesentlichen Legierungen von Niob. Diese erreichen höhere magnetische Feldstärken. Für Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) fehlen z.Z. noch die geforderten Fertigungstechniken. Die Herstellung starker, supraleitender Spulen erfordert das Ziehen von kilometerlangen, nur wenige Mikrometer dünnen Leiterfäden. Klassische SL bestehen aus Metalllegierungen, mit denen dies möglich ist. HTSL haben jedoch physikalische Eigenschaften, welche denen von Keramiken sehr ähnlich sind. Daher kann man bisher noch nicht die gewünschten Fäden herstellen.

Die Supraleitung ermöglicht es die von einem hohen Strom durchflossenen Feldspulen kurz zu schließen, woraufhin der Stromfluss über Jahre hinaus konstant bleibt. Bei dem dauerhaften Betrieb werden die elektrischen Anschlüsse, nach dem Laden der Spulen, mechanisch entfernt, und der Behälter der Spule verschlossen. Die Isolierung kann sehr gut sein. Im allgemeinen verzichtet man deshalb auf Kühlaggregate. So ist alles, was zum Erhalten des Feldes erforderlich ist, ein regelmäßiges Nachfüllen der Kühlmedien Helium und Stickstoff. Ein gutes Beispiel dafür ist ein NMR-Gerät.

Die größte Störung ist das sogenannte Quenchen (en: quenching=abschrecken). Dabei bricht lokal die Supraleitung zusammen. Da diese Stelle nun normalleitend ist, wirkt sie als elektrischer Widerstand. Sie heizt sich sehr schnell auf, wodurch sich der Widerstand erhöht und der normalleitende Bereich weiter vergrößert. So wird innerhalb kurzer Zeit die Spule entladen. Da die im Magnetfeld gespeicherte Energie recht groß ist, kann dieser Vorgang bei fehlenden Sicherheitsschaltungen zur Zerstörung der Spule führen. Supraleiter sind ideal diamagnetisch. Daher kann ein Strom nur an seiner Oberfläche fließen. Um also große Stromstärken ohne Überschreiten der Grenzstromdichte zu erreichen, muss man viele sehr dünne SL-Fäden parallel schalten. Durch Einbetten dieser Fäden in Kupfer wird erreicht, dass beim Quenchen der Strom vom normalleitenden Kupfer aufgenommen wird. Damit wird eine Zerstörung des Leiters wirksam vermieden.

In folgenden Aggregaten werden solche Spulen verwendet.

Der magnetische Einschluss bei der Kernfusion.
Das Grundmagnetfeld Kernspintomographie bzw. Magnetresonanztomographie
Das Magnetfeld zum Ablenken und Fokussieren der Teilchenstrahlen in Teilchenbeschleunigern.
Als Festmagnetfeld des Stators von Elektromotoren.

[Bearbeiten] Mikrowellen in supraleitenden Kavitäten

Für Teilchenbeschleuniger gibt es neben den konstanten Magnetfeldern zur Umlenkung der Teilchen auch hochfrequente Felder zur Beschleunigung der Teilchen. Auch hierfür werden Supraleiter verwendet, obwohl die kritische Feldstärke mit der Frequenz deutlich absinkt. Ab einer kritischen Frequenz werden die Cooper-Paare direkt durch Photonenabsorption aufgebrochen. Dann sinkt die kritische Feldstärke auf Null. Die einzige Möglichkeit diese Grenze weiter zu verschieben ist eine tiefere Kühlung.

Zum Beispiel in dem TESLA-Projekt werden supraleitende Kavitäten aus reinem Niob entwickelt. Vorteil und Nachteil des Systems ist die geringe Dämpfung. So ist der Wirkungsgrad besonders hoch, gleichzeitig werden parasitäre Moden nicht bedämpft.

[Bearbeiten] Energietransport und Umwandlung

Die Verwendung von Supraleitern zweiter Art zum Transport höherer elektrischer Ströme beherbergt die Schwierigkeit, dass diese Materialien beim Übergang in den Normalzustand nicht wie die Metalle zu normalen, guten elektrischen Leitern werden sondern – mit guter Näherung – zu Isolatoren. Wenn ein solcher stromführender Supraleiter (zum Beispiel durch Überschreiten der maximalen Stromdichte) in den Normalzustand wechselt, so löst der durch die Leitungsinduktivität kurz weiterfließende Strom das Material in eine Qualmwolke auf. Daher ist es notwendig, solche Materialien als mikroskopisch dünne Fäden in einen normalen Leiter (zum Beispiel Kupfer) einzubetten. Die Schwierigkeit, aus diesen keramikartigen Materialien dünne Fäden zu ziehen, ist einer der Haupthindernisse für den Einsatz bei höheren Stromstärken.

Es ist jedoch denkbar, dass Hochtemperatursupraleiter als Kurzschlussstrombegrenzer in Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden. Dabei bewirkt eine erhöhte Stromdichte im Kurzschlussfall, dass der Supraleiter zuerst in den Mischbereich und anschließend in den normalleitenden Bereich übergeht. Der Vorteil gegenüber Kurzschlussstrombegrenzungsdrosseln ist, dass ein Spannungsabfall während des Normalbetriebes nur stark vermindert auftritt. Ferner kann als Vorteil gegenüber Sicherungen und KS-Begrenzern mit Sprengkapseln festgehalten werden, dass der supraleitende Zustand ohne Austausch von Betriebsmitteln wieder erreicht wird und ein Normalbetrieb kurze Zeit nach dem Fehlerfall wieder möglich ist.

Da unter Verwendung hoher Spannungen auch auf klassischen Leitungen elektrische Energie effizient übertragen werden kann, sind Supraleiter hier kaum konkurrenzfähig. Durch die im Vergleich zu konventionellen Leitungen höhere erzielbare Stromdichte lässt sich jedoch mehr elektrische Leistung auf gleichem Raum übertragen. Daher werden supraleitende Kabel dort eingesetzt, wo durch Erhöhung des Bedarfs bei begrenztem baulichen Raum Erweiterungen vorgenommen werden müssen. In Tokio werden derzeit normale Stromkabel gegen HTSL-Kabel mit Stickstoffkühlung ausgetauscht.

Es lassen sich verlustarme Transformatoren herstellen, die bei gleicher Leistung deutlich verminderte Abmessungen und Masse haben und somit beispielsweise im mobilen Betrieb (Lokomotiven) Vorteile erbringen. Darüber hinaus kann auf eine umweltgefährdende Ölkühlung verzichtet werden. Durch eine gute thermische Isolierung ist es möglich die Transformatoren mit Kältemaschinen zu betreiben.

Annähernd verlustfreie Elektromotoren mit Hochtemperatursupraleitern ermöglichen ebenfalls eine Steigerung des Wirkungsgrades und eine deutliche Volumen- und Gewichtsersparnis gegenüber klassischen Motoren.

Ein weiterer interessanter Anwendungsfall sind supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer, die ebenfalls in den Stromnetzen zur Absicherung eingesetzt werden. Bei einem zu hohen Strom steigt das Magnetfeld über die kritische Feldstärke und der Supraleiter quenscht, das heißt er wird normalleitend und der Widerstand steigt abrupt an. Im Gegensatz zu konventionellen Sicherungen sind supraleitende Kurzschlussstrombegrenzer reversibel und müssen nach Beseitigung der Fehlerquelle nicht ersetzt werden.

[Bearbeiten] Mechanische Lager auf Basis der Supraleitung

Unter der Verwendung von supraleitenden Lagern lassen sich Energiespeicher für die kurzfristige Speicherung elektrischer Energie konstruieren. Diese Speicher dienen insbesondere der Kompensation schneller Lastschwankungen der Verbundnetze. Mit Hilfe der Lager werden Schwungräder reibungsfrei gelagert, die die Energie speichern.

[Bearbeiten] Magnetischer Energiespeicher auf Basis der Supraleitung

In SMES (Supraleitender Magnetischer EnergieSpeicher) werden mit supraleitenden Spulen Energie gespeichert. Die Energie ist sehr schnell abrufbar und wird daher für die Kompensation schneller Lastschwankungen in Stromnetze (Flickerkompensator) oder als Pulsgenerator für kurze, intensive Pulse eingesetzt.

[Bearbeiten] Messtechnik

Der Josephson-Effekt sowie SQUIDs erlauben die Messung kleinster Magnetfelder.

[Bearbeiten] Geschichte

Bevor Experimente bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt durchgeführt werden konnten, gab es verschiedene Theorien, wie sich der elektrische Widerstand in diesem Temperaturbereich verhalten würde, so z. B. dass der Widerstand stark ansteigen würde oder dass er ein bestimmtes Niveau nicht unterschreiten würde.

Der Effekt der Supraleitung wurde erstmals 1911 vom Niederländer Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Er beobachtete, dass Quecksilber unterhalb von 4,19 Kelvin sprungartig seinen elektrischen Widerstand verlor. Obwohl die Quantenmechanik damals noch neu war, postulierte er bereits, dass die Supraleitfähigkeit nur quantenmechanisch erklärt werden könne.

Die erste phänomenologische Deutung der Supraleitung kam von den deutschen Physikern Fritz London und Heinz London in den 1930er Jahren.

Im Jahr 1950 entstand die erfolgreiche phänomenologische Ginsburg-Landau-Theorie. Eine quantenmechanische Theorie der Supraleitung wurde erst im Jahre 1957 von den US-amerikanischen Physikern John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer (BCS-Theorie) gegeben, wofür ihnen 1972 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde.

Im Jahre 1986 publizierten der deutsche Physiker Johannes Georg Bednorz und der Schweizer Karl Alex Müller (beide waren am IBM-Forschungszentrum bei Zürich beschäftigt) ihre Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung, wofür sie bereits 1987 den Nobelpreis erhielten. Eine Theorie über das Zustandekommen dieser Art Supraleitung steht noch aus.

Die russischen Physiker Witali Ginsburg und Alexei Alexejewitsch Abrikossow erhielten 2003 den Nobelpreis für ihre Forschungen über die verschiedenen Typen von Supraleitern (Supraleiter 1. und 2. Art).

Im August 2005 wurde der weltweit erste Generator mit Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) im Systemprüfhaus für Großantriebe der Siemens AG in Nürnberg erfolgreich in Betrieb gesetzt. Der Generator leistet rund 4000 kVA bei 3600 U/min.

[Bearbeiten] Siehe auch

[Bearbeiten] Medien

Video des Superleiters YBCO, über einer Magnetschiene schwebend ^?/i

Commons: Supraleiter – Bilder, Videos und/oder Audiodateien

[Bearbeiten] Quellen und Fußnoten

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Kittel, Charles: Introduction to Solid State Physics. 7. Aufl. New York : Wiley, 1996
↑ Electronics Times: Pure Carbon Nanotubes Superconduct at 15K. 7.April 2001 [1]
↑ ^a ^b ^c ^d F. Schwaigerer, B. Sailer, J. Glaser, H. J. Meyer: Strom eiskalt serviert: Supraleitfähigkeit. In Chemie in unserer Zeit. 2002, 36, S. 108-124 [2]

[Bearbeiten] Literatur

Werner Buckel: Supraleitung - Grundlagen und Anwendungen. VCH, Weinheim 1994. ISBN 3-527-29087-7
J. R. Schrieffer, M. Tinkham: Superconductivity. in: Reviews of modern physics. American Physical Society, Melville NY 71.1999, 313–317. ISSN 0034-6861

[Bearbeiten] Weblinks

Wiktionary: Supraleiter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen