Die Supraleitfähigkeit: Was sind die Supraleiter?

Die Supraleiter sind besondere Materialien, die ihren eigenen elektrischen Widerstandskoeffizienten auf 0 reduzieren, wenn sie während der Abkühlung eine kritische Temperatur erreichen; so werden die Elemente Supraleiter. Die Supraleiter stellen somit bei dem Erreichen der kritischen Temperatur geeignete Materialien für die Überleitung des Stroms dar. Die kritische Temperatur ist mit dem Kürzel „Tc“ bezeichnet und ist ein Unterscheidungskriterium der Materialien im Gebiet der Infrarotstrahlung.

Kamerlingh Onnes

Das Phänomen der Supraleitungfähigkeit wurde 1911 bei Quecksilber vom Physiker Kamerlingh Onnes entdeckt. Die am häufigst benutzen Materialien für die Supraleitungfähigkeit sind das Titan, das Niob, das Zinn und das Vanadium. In diesen Elementen erfolgt die Supraleitungfähigkeit bei sehr niedrigen Temperaturen, allerdings ohne den absoluten Nullpunkt zu erreichen, der den Stoff auflösen würde. Wenn der Strom eine Supraleiterwindung durchquert, durchläuft er sie unendlich und annulliert den Joule-Effekt. Ein Supraleiter kann große Mengen von Energie leiten, ohne Energie in Form von Wärme zu verbrauchen. So kann der Strom theoretisch unendlich weitergeleitet werden, da kein Energieverlust in Form von Wärmeabgabe stattfindet.

Dieses Phänomen ist eng mit der Quantentheorie der Bewegung der Elektronen in Paaren verbunden, auch bekannt als Cooper-Paare. Auch wenn die Supraleitungfähigkeit 1911 von Onnes im Quecksilber nachgewiesen wurde, wurde diese erst 1957 von J. Bardeen, L.N. Cooper und J.R. Schrieffer theoretisiert. Allerdings verfügen wir erst seit 1988 über modernere Kenntnisse dank der Forschung und der Versuche von J.G. Bednorz und K.A. Muller.

Diese zwei Wissenschaftler haben in den Laboren von IBM in Zürich das Phänomen der Supraleitungsfähigkeit mit der kritischen Temperatur verbunden. Sie haben in der ersten experimentellen Phase die Supraleitungsfähigkeit bei 35° K auf einer Keramik aus Lanthan, Barium und Kupfer bemerkt. 1987 kam man zu denselben Ergebnissen mit einer Keramik aus Yttrium bei einer Temperatur von 90° K. Heutzutage beträgt die niedrigste erreichte Temperatur bei Quecksilber 133° K.

Müller und Bednorz

Eine weitere Eigenschaft der Supraleiter ist das magnetische Verhalten. Die Supraleiter werden komplett diamagnetisch, wenn sie die kritische Temperatur erreichen. Dieses Phänomen ist als Meissner-Effekt bekannt und wird oft bei Schnellzügen auf magnetischen Lagern eingesetzt.

Klassifikation der Supraleiter

Die vielen Forschungen haben erlaubt, die Supraleiter in 2 Kategorien zu klassifizieren: Typ I und Typ II. Alle Elemente von Typ I sind begrenzt: Sie werden Supraleiter nur bei niedrigen Temperaturen und schwachen elektromagnetischen Feldern. Wenn die Temperatur zu intensiv bzw. kritisch wird, baut die Supraleistungfähigkeit des Materials ab. Die Elemente vom Typ II leisten viel mehr und deswegen werden sie am meisten angewendet. Sie behalten die Supraleistungfähigkeit auch bei stärkeren elektromagnetischen Feld. Diese Eigenschaft erlaubt diesen Materialien, sehr starke elektromagnetischen Felder und eine hohe Strombelastung unverändert zu tolerieren.

Parameter für die Klassifikation der Supraleiter

Die 2 Hauptmerkmale, die die Supraleiter klassifizieren, sind die Länge der Kohärenz und die Länge der Eindringtiefe.

Die Länge der Kohärenz, mit dem Cooper-Paar verbunden, ist die Entfernung zwischen einem Paar Elektronen und diese repräsentiert die Menge oder die Dimension des Paares. Diese Länge in den traditionellen oder konventionellen Supraleitern befindet sich im Nanometer-Bereich.

Die Länge der Eindringtiefe hat mit dem Meissner-Effekt zu tun. Damit ist der Verfall der äußeren magnetischen Felder durch den Strom gemeint, der den Supraleiter durchquert. Die nötige Entfernung für diesen Verfall ist die Länge der Eindringtiefe. Auch diese wird in Nanometer gemessen.

Eigenartigkeiten der Supraleiter

Die Supraleiter vom von Typ I sind weiche Elemente, die bereits bei niedrigen Temperaturen schmelzen. In diesen ist die Länge der Kohärenz immer höher als die der Eindringtiefe und aus diesem Grund werden die Elemente Supraleiter bei niedrigen Temperaturen und schwachem magnetischen Feld. Da die Supraleitungfähigkeit dieser Elemente begrenzt ist, sind sie für die Industrie eher uninteressant.

Die Supraleiter von Typ II sind stark gefragt, da sie vorteilhaftere Eigenschaften besitzen als die anderen. Die Länge der Eindringtiefe ist kürzer als die Länge der Kohärenz, d.h. sie behalten die Supraleitungfähigkeit auch wenn sie in ein magnetisches Feld eindringen. Diese Supraleiter des Typs II können starke magnetischen Felder ertragen und einen stärkeren Elektronenfluss weiterleiten. Alle Supraleiter von technologischem Interesse gehören zu dieser Gruppe.

Praktische Anwendungen

Wie bereits erwähnt, sind Elemente, die auch bei Standardtemperaturen Supraleiter sind, noch nicht gefunden bzw. erfunden worden. Der hohe Preis der Kryogen-Abkühlungsgeräte erlaubt keine breite Anwendung. Neben den Kosten ist auch die Zweckmäßigkeit der Abkühlungsgeräte ein Begrenzungsfaktor. Diese Grenzen lässt die Anwendung der Supraleiter nur in wenigen Gebieten zu, wie Bauteilproduktion von Satelliten, biomedizinische Anwendungen, Autobauingenieurwesen und angewandte Forschung-IT.

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