Supraleitung

Supraleitung
-Lukas Legenstein, 16.01.2017
Eigenschaften der Supraleitung
• Thermodynamische, reversible Zustandsänderung
• Bei Unterschreitung kritischer Temperatur sprunghafter Übergang in
supraleitenden Zustand
• Kein elektrischer Widerstand, Ströme fließen ungehindert
• Abstoßung von Magnetfeldern aus dem Inneren des Supraleiters
• Quantenmechanischer Effekt (u.a. Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie
und Meissner-Ochsenfeld-Effekt)
Supraleitende Stoffe
• Metalle wie z.B. Quecksilber bei
4,153 K oder Aluminium bei
0,012 K
• Metallverbindungen wie z.B.
Magnesiumborid bei 39 K
• Keramiken wie z.B. die Gruppe
der Cuprate
• Organische Verbindungen wie
z.B. dotierte Fullerene
• Eisenpniktide
Kategorien von Supraleitern
Man unterscheidet:
• Nieder- und Hochtemperatur Supraleiter
• Hochtemperatur Supraleiter haben Sprungtemperaturen über dem
Siedepunkt von Stickstoff (~77 K)
• Niedertemperatur Supraleiter müssen meist mit Flüssig-Helium gekühlt
werden.
• Supraleiter 1. Art und 2. Art
Supraleiter 1. Art
• Sprunghafte Abnahme des elekt. Widerstandes wird durch die
Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie beschrieben.
• Elektronen bilden bosonische Cooper-Paare
• Die bosonischen Paare stellen einen makroskopischen Quantenzustand dar,
der ihnen als Fermionen verwehrt bleibt
• Das unterdrückt die Energieabgabe an das Kristallgitter in dem sie
delokalisiert vorliegen.
• Der Meissner-Ochsenfeld-Effekt beschreibt das Abstoßen von
externen Magnetfeldern
Meissner-Ochsenfeld-Effekt
• Äußere Magnetfelder werden im Inneren
kompensiert
• Magnetfelder dringen nur ca. 100 nm ein
(„London-Eindringtiefe λ “)
• London-Gleichung: 𝛻 2 𝐻 = −𝜆−2 ∙ 𝐻
• Supraleiter sind neben idealen Leitern auch ideale
Diamagneten
• Wird eine kritische mag. Flussdichte überschritten,
wird der Stoff normal leitend
Supraleiter 2. Art
• Abnahme des elekt. Widerstandes nicht vollständig erklärt.
• Die Bildung von Cooper-Paaren trägt einen Teil dazu bei
• Unterhalb einer kritischen mag. Flussdichte 1 verhält sich der
Supraleiter wie einer 1. Art.
• Bei Überschreitung entsteht eine Misch-Phase aus normal- und
supraleitenden Gebieten im Festkörper
• Wird eine zweite kritische Flussdichte 2 überschritten, ist der
Festkörper nicht mehr supraleitend
Phasen Diagramm eines Supraleiters
Anwendung in der Wissenschaft
• Strahlenlenker im Large-Hadron-Collider
in CERN
• Magnetische Plasma-Fallen in
TOKAMAK Kernfusions-Anlagen
• In hochwertigen
Massenspektrographen
Kupferspulen mit Niob-Titan Füllung wie sie in
CERN Anwendung finden
Realisierbare zivile Anwendusmöglichkeiten
• Magnet-Resonanz-Tomographie
• Supraleitende
• Magnetfelder von 1 T bis zu 7 T
• Kühlung mit Flüssig-Helium
• Magnetschwebebahn
• Supraleitende Spulen
• Geschwindigkeiten von bis zu 600 km/h
• Kühlung mit Flüssig-Helium bzw. mit FlüssigStickstoff
Geplante Anwendungsmöglichkeiten
• Widerstandsfreie Übertragung
hoher Ströme
• Verlustarme Transformatoren
• Leichtere und kompaktere
Elektromotoren und Generatoren
• Supraleitende Magnetische
Energiespeicher
• Rapid Single Flux Quantum Elektronik
3-Phasenstrom-Kabel mit Hochtemperatur-Supraleitern, wie es seit 2014 in Essen als
Versuchsprojekt im Einsatz ist.
Video:
Miniatur Magnet Schwebebahn der TU Zürich
Danke für eure Aufmerksamkeit!