Temperaturabhägigkeit der Leitfähigkeit

Temperaturabhägigkeit der Leitfähigkeit
Abb. 1: Ein Modellauto mit eingebautem Supraleiter bewegt sich
reibungsfrei über eine Kreisbahn
Geräteliste:
Netzteil, Messgeräte, dünner Draht, Thermistor, Glühlampe oder Halogenlampe,
Supraleiter, ggf. Magnetbahn, flüssiger Stickstoff, Watte, aufgeschnittener Luftballon
Versuchsbeschreibung:
Vergrößerung des Leitwertes mit der Temperatur:
Ein Halbleiterwiderstand, dessen Widerstand mit steigender Temperatur sinkt wird
präsentiert.
Verkleinerung des Leitwertes mit der Temperatur:
Die Wärmewirkung des Elektrischen Stroms wird anhand eines dünnen Drahtes, der
bei hohem Stromfluss ein Streichholz entzündet, vorgeführt.
Als weiteres Beispiel kann der Hinweis auf Wärmeentwicklung in der Glühwendel
einer Lampe dienen.
Eine Reihenschaltung von Drähten aus verschiedenen Metallen wird in Reihe
geschaltet und es fliesst ein hoher Strom, die Spannung verteilt sich dem
Widerstandsverhältnis entsprechend. Die Leitfähigkeit ist eine Materialabhängige
Größe.
Abb. 2: Die Spannung ist am unteren Draht größer, beim gleichen Strom durch beide
Drähte wird hier mehr Wärme erzeugt , der Draht glüht.
Der Thermistor mit negativem Temperaturkoeffizient kann in einen Zustand der
Eigenleitung gebracht werden indem der Strom der versorgenden Spannungsquelle
auf 100mA begrenzt und der Widerstand kurz mit dem Feuerzeug erwärmt wird.
Abb. 3: Heißleiter im Versuchsaufbau
Supraleitung:
Ein Modellauto mit Supraleitendem Klotz wird mit flüssigem Stickstoff gekühlt,
während es in einem kleinen Behälter einige mm über einer Magnetbahn oder auf
einem starken Magneten liegt. Im gekühltem Zustand kann das Auto und der
Behälter entfernt werden. Das Auto wird wieder auf die Bahn gesetzt, schwebt dort in
der gleichen Höhe wie mit dem Behältnis und kann sich nun auf der Bahn nur durch
den Luftwiderstand gebremst hin und her bewegen. Auf dem starken Magneten
levitiert der Klotz bis er seine Sprungtemperatur überschreitet.
Abb. 4: Aufbau zum Einfüllen des flüssigen Stickstoffs
Abb. 5: Supraleiter in aufgeschnittenem Ballon mit Watte als Speicher für flüssigen
Stickstoff.
Die Widerstandsabnahme bei Abkühlung kann auch mit einem 2 m Kupferdraht und
einem 2 m Spraleitendem Bandleiter demonstriert werden.
Beide werden mit einem großen Strom „betrieben“ und in flüssigen Stickstoff
getaucht. Der Stromfluss und die Spannung werden gleichzeitig gemessen. Die
Spannung wird direkt an den Klemmen im Stickstoff abgenommen und geht für den
Supraleiter auf 0V zurück.
Abb. 6: Hochtemperatursupraleiter auf Spule mit Anschlussdrähten und Klemmen zur
Spannungsmessung.
Bemerkungen:
Wenn Strom durch einen Widerstand fließt, wird dieser warm (z.B. in einer
elektrischen Herdplatte). Die Energie der sich bewegenden Elektronen wird zum Teil
in Energie des Kristallgitters umgewandelt, die dann als Wärme nach außen
abgeführt werden kann.
Bei dem Prozess werden Ladungen Q von einem Ort des Leiters mit dem
Potential ϕ1 zum anderen Ort des Leiters mit dem Potential ϕ2 befördert. Dabei
wird Arbeit verrichtet oder verbraucht.
W 12 = Q (ϕ1−ϕ 2 ) = Q ⋅U
Bei zeitlich konstanter Spannung wird dabei pro Sekunde von der Ladungsmenge
dQ
I=
die Leistung P = U⋅ I in Wärme umgewandelt.
dt
⃗ = q ⋅ E⃗
Der dissipative Prozess wird durch die der treibenden Kraft F
2
entgegengesetzte Reibungskraft F⃗R = nσq ⋅v D hervorgerufen, νD bezeichnet
el
hier die Driftgeschwindigkeit der Elektronen, n die Anzahl der Ladungsträger q
und σel die Leitfähigkeit.
Weitere Infos zu Supraleitung unter
http://ehf.uni-oldenburg.de/epkos/supraleiter_bahn.php