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Definition, Typen und Verwendung von Supraleitern

Ein Supraleiter ist ein Element oder eine Metalllegierung, die beim Abkühlen unter eine bestimmte Schwellentemperatur den gesamten elektrischen Widerstand dramatisch verliert. Im Prinzip können Supraleiter elektrischen Strom ohne Energieverlust fließen lassen (obwohl in der Praxis ein idealer Supraleiter sehr schwer herzustellen ist). Diese Art von Strom wird als Superstrom bezeichnet.

Die Schwellentemperatur, unter der ein Material in einen Supraleiterzustand übergeht, wird als T c bezeichnet , was für kritische Temperatur steht. Nicht alle Materialien werden zu Supraleitern, und die Materialien, die jeweils einen eigenen Wert von T c haben .

 

Arten von Supraleitern

  • Supraleiter vom Typ I wirken bei Raumtemperatur als Leiter, aber wenn sie unter T c abgekühlt werden , verringert sich die molekulare Bewegung innerhalb des Materials so stark, dass sich der Stromfluss ungehindert bewegen kann.
  • Typ 2-Supraleiter sind bei Raumtemperatur keine besonders guten Leiter, der Übergang in einen Supraleiterzustand ist allmählicher als bei Typ 1-Supraleitern. Der Mechanismus und die physikalische Grundlage für diese Zustandsänderung sind derzeit nicht vollständig verstanden. Typ 2-Supraleiter sind typischerweise metallische Verbindungen und Legierungen.

 

Entdeckung des Supraleiters

Die Supraleitung wurde erstmals 1911 entdeckt, als Quecksilber von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes auf etwa 4 Grad Kelvin abgekühlt wurde, was ihm 1913 den Nobelpreis für Physik einbrachte. In den letzten Jahren hat sich dieses Gebiet stark erweitert und viele andere Formen von Supraleitern wurden entdeckt, einschließlich Typ-2-Supraleiter in den 1930er Jahren.

Die grundlegende Theorie der Supraleitung, die BCS-Theorie, brachte den Wissenschaftlern – John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer – 1972 den Nobelpreis für Physik ein. Ein Teil des Nobelpreises für Physik von 1973 ging an Brian Josephson, ebenfalls für die Arbeit mit Supraleitung.

Im Januar 1986 machten Karl Müller und Johannes Bednorz eine Entdeckung, die das Denken der Wissenschaftler über Supraleiter revolutionierte. Vor diesem Punkt bestand das Verständnis darin, dass sich die Supraleitung nur manifestierte, wenn sie auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt  wurde. Unter Verwendung eines Oxids aus Barium, Lanthan und Kupfer stellten sie jedoch fest, dass sie bei etwa 40 Grad Kelvin zu einem Supraleiter wurde. Dies löste einen Wettlauf um die Entdeckung von Materialien aus, die bei viel höheren Temperaturen als Supraleiter fungierten.

In den Jahrzehnten seitdem waren die höchsten Temperaturen, die erreicht worden waren, ungefähr 133 Grad Kelvin (obwohl Sie bis zu 164 Grad Kelvin erreichen könnten, wenn Sie einen hohen Druck ausüben würden). Im August 2015 berichtete ein in der Zeitschrift Nature veröffentlichter Artikel über die Entdeckung der Supraleitung bei einer Temperatur von 203 Grad Kelvin unter hohem Druck.

 

Anwendungen von Supraleitern

Supraleiter werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere jedoch innerhalb der Struktur des Large Hadron Collider. Die Tunnel, die die Strahlen geladener Teilchen enthalten, sind von Röhren umgeben, die leistungsstarke Supraleiter enthalten. Die Superströme, die durch die Supraleiter fließen, erzeugen durch elektromagnetische Induktion ein intensives Magnetfeld, mit dem das Team nach Wunsch beschleunigt und gelenkt werden kann.

Darüber hinaus weisen Supraleiter den  Meissner-Effekt auf,  bei dem sie den gesamten Magnetfluss im Material aufheben und perfekt diamagnetisch werden (entdeckt 1933). In diesem Fall bewegen sich die Magnetfeldlinien tatsächlich um den gekühlten Supraleiter. Es ist diese Eigenschaft von Supraleitern, die häufig in Magnetschwebeexperimenten verwendet wird, wie beispielsweise der Quantenverriegelung, die bei der Quantenschwebung beobachtet wird. Mit anderen Worten, wenn   Hoverboards im Back to the Future- Stil jemals Realität werden. In einer weniger alltäglichen Anwendung spielen Supraleiter eine Rolle bei modernen Fortschritten in Magnetschwebezügen. die im Gegensatz zu nicht erneuerbarem Strom eine leistungsstarke Möglichkeit für den öffentlichen Hochgeschwindigkeitsverkehr bieten, der auf Elektrizität basiert (die mit erneuerbarer Energie erzeugt werden kann) Optionen wie Flugzeuge, Autos und kohlebetriebene Züge.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D.

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