100 Jahre Supraleitung
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Supraleitung: 100 Jahre Geschichte : Wo sind die Anwendungen? 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 1 Inhalt Einführung in die Supraleitung • Geschichte • Supraleiter 1. Art • Supraleiter 2. Art Anwendungen • Supraleitende Spulen • Supraleitung in der Medizin • Magnetschwebebahn • Strom: Transport und Speicherung • Supraleitende Motoren und Generatoren • SQUID • BOLOMETER 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 2 Teil 1 EINFÜHRUNG IN DIE SUPRALEITUNG 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 3 1. Kurzum: Was ist Supraleitung? • Supraleitung ist ein bei mehreren Metallen und Keramiken beobachtbares Phänomen. • Abkühlung dieser Materialien auf Temperaturen zwischen Nahe des absoluten Nullpunktes (0 Grad Kelvin, -273 Grad Celsius) und der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K, -196 C) Ihr elektrischer Widerstand sinkt mit einem Sprung auf Null. • Keinen Widerstand für Durchgang von elektrischem Strom • Die Temperatur, bei der der elektrische Widerstand Null ist, wird als kritische Temperatur (Tc) bezeichnet. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 4 1. Kurzum: Was ist Supraleitung? • Die kritische Temperatur ist eine Eigenschaft des Materials, wie es in der folgenden Tabelle dargestellt ist: Material Typ T c(K) Zink Metall 0,88 Aluminium Metall 1,19 Zinn Metall 3,72 Merkur Metall 4,15 YBa 2 Cu 3 O 7 Keramik 90 TlBaCaCuO Keramik 125 • Die Tabelle zeigt eine klare Trennung zwischen den niedrigen und HochtemperaturSupraleitern. • • Die Kühlung der Materialien erfolgt mittels flüssigem Stickstoff Für noch niedrige Temperaturen mit flüssigem Helium 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 5 1. Kurzum: Was ist Supraleitung? Bekannte Supraleiter (unter hohen bzw. normalen Druck) • Supraleitung bei tiefen Temperaturen ist gut verstanden (BCS-Modell) • Noch gibt es keine eindeutige Erklärung der Supraleitung bei "hohen Temperaturen". 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 6 2. Kurzum: Geschichte der Supraleitung 1911 • Entdeckung durch den niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes • Abkühlen mit flüssigem Helium auf 4,0 K Elektrischer Widerstand von Quecksilber sinkt sprunghaft auf Null • 1933: Meißner-Ochsenfeld Effekt wurde zum ersten Mal beobachtet 1933 1950 29.09.2011 • Ende der 1950er Jahre: eine funktionierende quantenmechanische Theorie der Supraleitung von John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer (BCS-Modell) Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 7 2. Geschichte der Supraleitung • 1986: Entdeckung einer neuen Klasse von Supraleitern mit besonders hohen Sprungtemperaturen – vor allem Keramiken. • In den Laboren von IBM- Zürich- (Müller und Bednorz) 1988: Bi2Sr2Ca2Cu3O10 mit 110 K Sprungtemperatur 1987: YBa2Cu3O7 mit 93 K Sprungtemperatur 29.09.2011 Rekord seit 2000: Sprungtemperatur von 138 K Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 8 Teil 2 SUPRALEITER 1. & 2. ART 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 9 2.1. Supraleiter 1. Art: Meißner-Effekt Die schwarzen Pfeile stellen das externe Magnetfeld im Normalleiterfeld dar (noch nicht abgekühlt). Nach dem Abkühlen, also im supraleitenden Zustand, erzeugen diese Linien kreisende Ströme auf der Oberfläche der Probe (rot), die ohne Widerstand in Kreisen laufen. Ströme auf der Oberfläche des Supraleiters (in rot) angezeigt. Diese Ströme erzeugen ein induziertes Magnetfeld (das angelegte Magnetfeld wird in der Abbildung nicht gezeigt). Das gesamte Magnetfeld ist die Summe des angelegten Feldes und des induzierten Feldes. In dem Volumen des Supraleiters: das Magnetfeld ist Null. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 10 2.1. Supraleiter 1. Art: Meißner-Effekt • Levitation eines Magneten über einer Blei-Schüssel • Eine wahre Meissner Levitation • Blei ist ein Typ-I-Supraleiter unterhalb einer Temperatur von 7,2 K • Die konkave Form des Supraleiters sichert die Stabilität der Levitation und verhindert, dass der Magnet auf die Seite gleitet. • Blei ist ein perfekter Diamagnet (Magnetfeld wird zu Null „gedämpft“) 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 11 2.1. Supraleiter 1. Art: Meißner-Effekt 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 12 2.2. Supraleiter 1. Art: Nachweis der Supraleitung • Nachweis von supraleitenden Zuständen über Verschwinden des Widerstandes kann manchmal in die Irre führen: Der Fall des Widerstandes ist nicht immer ideal steil („dirty“ Supraleiter). Ein Kurzschluss kann sogar als Verschwinden des Widerstandes wahrgenommen werden. • ALTERNATIVE: Der supraleitende Zustand wird oft über die magnetische Eigenschaft nachgewiesen und nicht über das Verschwinden des elektrischen Widerstands (R=0) 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 13 2.3. Supraleiter 1. Art: Kritische Feldstärke Hc • Wenn das Magnetfeld zu verdrängen zu groß ist, kann das System die notwendigen Supraströme nicht erzeugen. Supraleitung bricht zusammen. Probe wird einfach Metall • Die Existenz von Supraleitung hängt sowohl von dem Wert der Temperatur und des Magnetfeldes ab. • Alle Supraleiter 1. Art zeigen einen vollständigen Meißner-OchsenfeldEffekt, solange das von außen angelegte Magnetfeld unterhalb einer kritischen Feldstärke Hc bleibt 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 14 2.4. Supraleiter 2. Art: • Manche Materialien sind keine perfekten Diamagneten. • Diese Materialien zeigen oberhalb einer kritischen Feldstärke Hc1 nur noch einen unvollständigen Meißner-Effekt. • Verhalten sich aber immer noch wie „normale“ Supraleiter. • Diese Materielien werden Supraleiter zweiter Art genannt. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 15 2.5. Supraleiter 2. Art: Vortex/ Flussschläuche • Ein magnetisches Feld wird angelegt (schwarz dargestellt). • Supraleitende Ströme (rot) entstehen auf der Oberfläche der abgeschirmten Bereich: Diese Ströme sind für den „Meissner-Effekt“ verantwortlich. • Weitere supraleitende Ströme (grün), induzieren den Wirbel. • Wirbel/ Flussschlauch: eine Art "Tunnel", durch den ein Teil des angelegten starken Magnetfeldes die supraleitende Probe durchläuft. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 16 Teil 3 SUPRALEITENDE SPULEN 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 17 3.1. Supraleitende Spulen: • Die Magnete erzeugen Magnetfelder, die hoch sein können, aber fallen schnell mit steigendem Abstand ab. • Für ein hohes Magnetfeld auf einem großen Volumen, werden stattdessen Elektromagnete eingesetzt. • D.h. eine Drahtspule, in denen ein elektrischer Strom fließt. Die Strom-Schleife erzeugt ein Magnetfeld senkrecht auf den Abschnitt der Spule, in ihrem gesamten Volumen • Der Strom im Kreis erzeugt ein auf dem Abschnitt der Spule senkrechtes Magnetfeld in ihrem gesamten Volumen 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 18 3.1. Supraleitende Spulen: • Um jeden stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld Elektromagnetismus • Bewegte Ladungen (Strom) sind die Ursache des Elektromagnetismus. • Eine stromdurchflossene Drahtwicklung induziert ein konstantes Magnetfeld entlang ihrer axialen Achse • Für lange Zylinderspulen (L>>R) hat die magnetische Flussdichte innerhalb der Spule auf der Achse den näherungsweise konstanten Wert: 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 19 3.1. Supraleitende Spulen: • • • • Höhere Magnetfelder werden mit einem höheren elektrischen Strom erreicht. Strom Widerstand Erwärmung Für einen sehr hohen Strom schmilzt der Draht der Spule oder brennt. Um dieses Problem zu vermeiden: i. Kühlung des Drahtes mit Wasser (sehr teuer z.B. Bitter-Elektromagnet) ii. Verwendung eines supraleitenden Drahtes, der keinen Widerstand und daher keine Erwärmung aufweist • Anwendung in kommerziellen Produkten oder Forschungsprojekten : Kernspin-Tomographen Partikelbeschleuniger Fusionsreaktoren Labor-Magnete 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 20 3.1. Supraleitende Spulen: • Magnetische Felder bis etwa 20 Tesla (Nb3Sn) (1 Tesla ist etwa 20.000-fachen des Erdmagnetfeldes) • Spulen von mehreren Tausenden Windungen supraleitender Drähte in flüssiges Helium getaucht. • Drähte oft aus Legierungen aus Niob und Titan (NbTi) oder Niob-Zinn (Nb3Sn) – Bei Temperaturen unterhalb von 9,5 K ist Niob- Titan ein Supraleiter vom Typ II – Nb3Sn, ebenfalls Supraleiter vom Typ II, hat die Sprungtemperatur von 18,05 K • Rekord mit HTS 26,8 T. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 21 Teil 4 MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 22 4.1. MRT: Die größte und wichtigste Komponente ist ein supraleitender Magnet Drei GradientenMagnetenn eine Stärke von 180 bis 270 Gauss. Stabiles Magnetfeld von 0,5 Tesla bis 2,0 Tesla um den Patienten ein variables Feld zum Scannen verschiedener Teile des Körpers Ein sehr mächtiges Reihe von Spulen, die hochfrequente Wellen in den Körper übertragen Computersystem zur Bilderzeugung (Imaging) 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 23 4.3. MRT: Atomkerne haben eine zufällige Spinrichtung, um die eigene Achse Atome gehen in verschiedene Richtungen Für die Zwecke einer MRT-Untersuchung: Nur Wasserstoffatome interessant In einem Magnetfeld: Atome ordnen sich in der Richtung des Feldes Etwa die Hälfte zeigen in jede Richtung die überwiegende Mehrzahl der Protonen heben sich gegenseitig auf . Die MRT Maschine sendet eine Radiofrequenz (Wasserstoff spezifisch). Dies ist der "Resonanz" Teil der MRT 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 Unübertroffene Protonen absorbieren die Energie und spinnen wieder in eine andere Richtung. 24 4.3. MRT: Ausschaltung des HF-Pulses Wasserstoff-Protonen gewinnen langsam ihre natürliche Ausrichtung H-Protonen lassen die absorbierte Energie wieder frei Signal zum Computer-System • • H-Protonen lassen die absorbierte Energie wieder frei Signal wird vearbeitet und Bild wird erstellt Die drei Gradienten-Magnete sind in einer bestimmten Weise angeordnet, dass sie das Hauptmagnetfeld auf lokaler Ebene verändern können. Was dies bedeutet ist, dass Ärzte genau den Bereich, von welchem ein Bild gebraucht wird, holen können. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 25 Teil 5 MAGNETSCHWEBEBAHN 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 26 5.1. Magnetschwebebahn: Die größten Unterschiede zu konvontionellen Zügen: • Es gibt keinen Kontakt zur „Schiene“ Null Roll-Reibung • Kein konventioneller Antrieb Der Motor für Magnetschwebebahnen ist eher unauffällig. Anstelle der Verwendung von fossilen Brennstoffen wird der Zug von dem Magnetfeld der elektrischen Spulen in den Fahrwegwänden und der Strecke bewegt. • Schnellster Zug der Welt mit einer Geschwindigkeit von 581 Kmh ( Boeing-777 bis 905 kmh) 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 27 5.2. Magnetschwebebahn: Spulen aus konventionellen Supraleitern auf den Seiten des Wagens (jeweils vier). Die Spulen sind auf sich selbst geschlossen, und sie erzeugen ein konstantes Magnetfeld. Anhaltende Ströme in der Größenordnung von 700.000 Ampere Magnetfeld von fast 5 Tesla Zwei Arten von Spulen Entlang der Spur: i. ii. • Die Antriebsspulen sind aktiv : sie müssen ständig zu einer Energiequelle verbunden werden. • Levitation-Spulen völlig passiv Antrieb-Spulen Levitation-Spulen Diese Spulen sind einfach metallisch 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 28 5.3. Magnetschwebebahn: • • • • • • • • Wechselnder Strom in den Antriebsspulen Polarität des magnetisierten Spulen ändern sich mit gleicher Frequenz. Diese Änderung der Polarität bewirkt, dass das Magnetfeld vor dem Zug das Fahrzeug nach vorne zieht, während das magnetische Feld hinter dem Zug noch mehr Schub ausübt. Um zu bremsen einfach den Strom umkehren. Druckluftbremsen erlauben eine Bremsung ohne Energie zu verbrauchen Schweben zwischen 1 und 10 cm über dem Fahrweg. Die Levitation erfordert keine Energie, einmal der Zug in Bewegung (erst ab ca. 100 kmh). Maglev schneller Magnetfeld geht schneller durch die Levitation-Spulen induzierte Ströme größer bessere Levitation. (WirbelStröme) Wenn der Maglev langsam, oder wenn er stationär ist, werden die induzierten Ströme zu schwach, um die Levitation zu sichern. Die "Räder der Landung„ kommen zu Einsatz. In gewisser Weise ist der Maglev mehr wie ein Flugzeug, als ein Zug! 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 29 Teil 6 SUPRALEITENDE GENERATOREN & MOTOREN 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 30 6.1. Supraleitende Motoren und Generatoren: • Generator: mechanische Energie Drehstrom • Motor: Drehstrom mechanische Energie • Drehstrommotoren werden mit Dreiphasenwechselstrom bzw. „Drehstrom“ betrieben. • 3 Elektromagnet-Spulen werdem auf einem Kreis um jeweils 120° versetzt und mit einer periodischen wechselnden Spannung, deren zeitliche Abläufe gegenüber den anderen beiden Leiterspannungen auch um 120° vor- bzw. nachlaufend versetzt sind. • In jeder Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen zeitlicher Ablauf genauso wie der Spannungsverlauf gegenüber den anderen Spulenfeldern um eine Drittelperiode versetzt ist. • Summiertes Magnetfeld mit konstantem Betrag aber sich ändernde Richtung Rotationsbewegung 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 31 6.2. Supraleitende Motoren und Generatoren: Formeln: • Pel=Pmech/ŋ • Pel=√3*U*I*cos(𝜑) wobei Pmech: Nennleistung Pel: Elektrische Leistung ŋ: Wirkungsgrad U: Außenleiterspannung I: Außenleiterstrom Cos(𝜑): Leistungsfaktor (Die Formeln sind für Stern- und Dreiecksschaltung gültig) 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 32 6.3. Supraleitende Motoren und Generatoren für Schiffe: • Hohe elektrische Ströme in den Spulen erzeugen das Magnetfeld für den Antrieb Erwärmung wegen der sehr hohen Ströme • Im Gegensatz zu einer ungekühlten Leitung, könnte bei gleicher Strombelastung eine supraleitende Spule einen etwa hundertmal kleineren Querschnitt haben, ohne dass sie verglüht. • Ideal für Elektromotoren, wenn die Spulen supraleitend sind. • Bei gleicher Leistung reduzieren sich Gewicht und Größe supraleitender Elektromotoren um fast die Hälfte Ideal für Einsatz auf Schiffen beispielsweise. • Elektromotoren haben besonders dort Vorteile, wo der Platz knapp ist. • Besonders klein bei entsprechender Leistung sind supraleitende Motoren. • Wirkungsgrad steigt auf 98% 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 33 6.4. Supraleitende Motoren und Generatoren für Schiffe: • Drähte aus HTS-Keramik für die Wicklungen des Rotors statt Kupfer. • Das HTS-Material kann im tiefgekühlten Zustand deutlich mehr Strom aufnehmen. Das Ergebnis: – Gewicht und Volumen betragen nur etwa 70 % der Werte gewöhnlicher Maschinen. – Energieverluste halbiert . – Wirkungsgrad verbessert. Künftig: • Jachten werden schlanker Wasserwiderstand deutlich geringer. • Der elektrische Antrieb ist viel ruhiger als der tuckernde Diesel. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 34 Teil 7 WEITERE ANWENDUNGEN DER SUPRALEITUNG 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 35 7.1. Strom: Transport und Speicherung • • • • konventionelle elektrische Leitungen können nur begrenzte Ströme tragen. Supraleitende Kabeln würden dieses Problem lösen 10.000 Mal mehr Strom kann zirkulieren • Eine supraleitende Spule, die auf sich selbst geschlossen ist. Der Strom in der Spule bleibt auf unbestimmte Zeit erhalten, weil es absolut keine Verlust an Energie gibt. • 29.09.2011 • • Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 Ein solches Netzwerk ist noch nicht profitabel Prototypen von supraleitenden Kabeln über kurze Distanzen Strom kann jede Zeit abgerufen werden Vor allem in sehr kurze Zeit, im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien 36 7.1. SQUID • Ein SQUID ist ein Sensor zur sehr präzisen Messung extrem geringer Magnetfeldänderungen Medizin • Messung von Magnetfeldern, die aus Strömen im menschlichen Körper enstehen, z. B. Gehirnströmen oder Herzströmen. • Detektion von Kernspinresonanzen in niedrigen Magnetfeldern Geologie • Ermittelung feiner Änderungen des Erdmagnetfeldes an der Oberfläche. • Entdeckung unterirdischer Strukturen MaterialPrüfung • Einsetzung zur zurzerstörungsfreier Materialprüfung 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 37 7.2. Bolometer • Ein Strahlungssensor, der in Form von elektromagnetischer Strahlung die abgestrahlte Energie im gesamten Wellenlängenspektrum detektiert, meist über die durch Absorption stattfindende Erwärmung. • Die durch die elektromagnetische Strahlung hervorgerufene Wärmewirkung (Wärmestrahlung) verändert den ohmschen Widerstand des Sensors • Widerstand wird mit einer anliegenden elektrischen Spannung und einem Strommessgerät angezeigt. • Rückschlüsse auf die Leistungsdichte der gemessenen Strahlung erlaubt. 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 38 Rückblick Einführung in die Supraleitung • Geschichte • Supraleiter 1. Art • Supraleiter 2. Art Anwendungen • Supraleitende Spulen • Supraleitung in der Medizin • Magnetschwebebahn • Strom: Transport und Speicherung • Supraleitende Motoren und Generatoren • SQUID • BOLOMETER 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 39 Bilderverzeichnis • • • • • • • • • • • • • • http://benjamin.stangl-taller.at/SCHULE/PHYSIK/SUPRALEITUNG/default.html http://www.siemens.com/innovation/pool/en/publikationen/publications_pof/pof_fall_2005/digit al_health/mr_imaging/7tesla1_1332256.jpg http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/accelerators/superconductivity/tc_graph.gif http://static.howstuffworks.com/gif/mri-illustration.jpg http://static.howstuffworks.com/gif/mri-steps.jpg http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image019.jpg http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image021.png http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image022.png http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Simpel-3-fasetgenerator.gif&filetimestamp=20090529180604 http://www.amsc.com/images/ONR_motor-comp_CMYK_300_WEB.jpg http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image003.jpg http://www.supraconductivite.fr/media/images/widgets/applications-electricite-smes.jpg http://www.supraconductivite.fr/media/images/widgets/applications-squid-more.jpg http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php#applications-bolometre-more 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 40 Quellen • http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php • http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/accelerators/super conductivity/superconductivity.htm • http://www.msm.cam.ac.uk/ascg/lectures/ • http://science.howstuffworks.com/mri2.htm • http://de.wikipedia.org/wiki/Dreiphasenwechselstrom • http://www.amsc.com/index.html 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 41 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT 29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 42
