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