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Titel:

Supraleiter


  Note: 1+   Klasse: 11









Arbeit: Supraleiter

- sind Materialien, die beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur fast sprunghaft ihren elektrischen Widerstand verlieren und Magnetfelder aus Inneren verdrängen
- im Gegensatz zu idealen Leiter bei Supraleiter immer Verdrängung magnetischer Feldlinien aus dem Inneren wenn dieser im Magnetfeld unter Sprungtemperatur gekühlt wird
à Meißner-Ochsenfeld-Effekt
à kleine supraleitende Probe kann im Magnetfeld schweben
- Sprungtemperatur ist materialabhängig
- Magnetfelder reduzieren Sprungtemperatur
- wegen verschwindendem Widerstand im Inneren bis zu kritischer Feldstärke kein Magnetfeld
- von außen angelegtes Magnetfeld induziert sofort Kreisstrom
à im Inneren des Supraleiters Aufbau von entgegengesetztem Feld
à kompensiert äußeres
à erklärt nicht Verdrängen von Magnetfeldern, die vor Eintritt der Supraleitung im Körper waren

Einteilung: - je nach Verhalten im Magnetfeld

Supraleiter 1. Art:
- magnetische Feldlinien werden bis auf dünne Schicht an Oberfläche vollständig aus Innerem verdrängt
- Magnetfeld nimmt an Oberfläche exponentiell ab
à charakterist. Maß der Oberflächenschicht ist Londonsche Eindringtiefe
à Zustand auch als Meissner-Phase bezeichnet
- wird normalleitend, wenn äußeres Magnetfeld kritischen Wert Bc oder die Stromdichte kritischen Wert Jc überschreitet
- fast alle metall. Elemente; in der Regel sehr niedrige Sprungtemperatur(wenige Kelvin)
- Beispiele: Blei und Aluminium, meist Niob-Legierungen
à neuer Stoff entdeckt: Magnesiumdiborid
- wird bei relativ hoher Temperatur von 40 Kelvin(-233°C) supraleitend à außergewöhnlich da Sprungtemperatur doppelt so hoch als bei anderen Stoffen
- nochmaliges Aufgreifen nach Erklärung der konventionellen Supraleitung


Supraleiter 2. Art:
- nur bis zu unterem kritischen Magnetfeld Bc1 in Meissner-Phase, darüber Eindringen magnetische Feldlinien in Form von Flussschläuche in Material möglich
à Shubnikov- oder Mischphase
- darauf Zerstörung des supr.leit. Zustands bei oberem kritischen Magnetfeld Bc2.
- magnetischer Fluss in Flussschläuchen immer ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Flussquants:



- Bsp.: Hochtemperatursupraleiter mit komplizierten Kristallgittern(vorrangig Kupferoxid-Ebenen) sowie YbaCuO - (Yttrium-Barium-Kupferoxide) und BiSrCaCuO - Gruppen (Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxide) à Heft S. 60




Supraleiter 3. Art:
- in der Mischphase bei 2. Art folgender Effekt:
§ Strom mit der Dichte J fließt
§ übt auf Flussschläuche Lorentzkraft aus senkrecht zu J und Magn.feld B

§ ( l = Länge des Flussschlauchs )

§ Flussschläuche wandern mit v quer durch
§ Feldbewegung verursacht wiederum Lorentzkraft FQ
à nach der Lenzscher Regel dem Strom entgegengesetzt
§ bewirkt einen Spannungsabfall
à elektrischer Widerstand im Supraleiter!
- zur Verhinderung in Kristallgitter Anbringung gezielter Störstellen(Pinningzentren)
à halten Flussschläuche bis zu bestimmter Grenzkraft fest
à erst wenn FL Grenze übersteigt kommt es zum Drift und zum el. Widerstand


Supraleiter mit einer großen Grenzkraft bezeichnet man als Supraleiter 3. Art oder auch harte Supraleiter.





Konventionelle(klassische) Supraleitung:
- T nahe absoluten Nullpunkt à bei fast allen Metallen und auch vielen anderen Materialen Supraleitung
- wird durch Paarbildung von Elektronen (Cooper-Paare) im Supraleiter erzeugt
§ bei normaler elektrischer Leitung à elektr. Widerstand durch Wechselwirkungen der Elektronen mit Gitterfehlern u. Gitterschwingungen
§ auch Streuprozesse der Elektr. untereinander wichtig
- durch Kopplung der Elektronen im Supraleiter zu Cooper-Paaren wird Energieabgabe an Kristallgitter unterdrückt und widerstandsloser el. Stromfluss ermöglichtà Ionenrumpfmodell anzeichnen
à sprechen, Gitterverzerrung bindet beide locker aneinander

- vollständige Theorie zur Beschreibung beruht auf quantenphysikalischen Effekten (BCS-Theorie)
à beide einzelne Elektronen sind Fermionen à bilden bosonisches Paar
à nehmen makroskopischen Quantenzustand ein

Erläuterung zu Struktur und Bindungen von Magnesiumdiborid
Siehe Heft S.64

Weitere Eigenschaften:
1.
- hoher Druckà kritische Umgebungstemperatur sinkt
- teilweise auch umgekehrte Abhängigkeiten
à Anomalie einiger Stoffe durch strukturelle Umwandlung des Leiters durch Druck
- kritische Temperatur kann bei zunehmenden p zuerst sinken, dann bei bestimmtem Druck Bildung einer Modifikation, die höhere Übergangstemperaturen besitzt
- Hochdrucksupraleiter: auch Stoffe, bei denen nur S.-Leitung bei hohem Druck

2.
- Spannung an Supraleiterà Supraleitung wird zerstört durch elektrisches Feld ab bestimmter Stärke
- Volumen eines Stoffes in normalleitenderàPhase Vn(bei Temperaturen T > Tc) kleiner als Volumen in der supraleitenden Phase Vs(T < Tc)
- Wenn T = Tc , dann Vs = Vn
- während Übergangsphase existieren beide Phasen S und N nebeneinander im Leiter

Erläuterung zu 2.:
- spezifische Wärmekapazität geht im supraleitenden Zustand verloren
- zugeführte thermische Energie bricht nur Cooper-Paare auf
à wird nicht als kinetische Energie an Teilchen weitergegeben
à supraleitender Zustand hat wenig Einfluss auf Wärmeleitfähigkeit

- zwei Arten von Stoffen
- Stoffe, die Wärme über Gitter weitergeben
à Wärmeleitung in Nähe von Tc durch starke Interferenzen an Übergängen
zwischen S und N-leitenden Schichten behindert
à bei T < Tc durch fehlende Wechselwirkungen mit Elektronen im Vergleich zu
N -Phase besser
- Stoffe, die Wärme über Elektronen weitergeben
à da Elektronen bei S-Leitung gebunden, wird Wärmeleitung schlechter

Anwendung: Supraleiter als über ein kritisches Feld steuerbare Schalter für
Wärmeströme

Hochtemperatursupraleitung(HTSL):
- HTSL relativ neues Forschungsgebiet
- keramische Materialien spezieller Zusammensetzung;
Supraleitung schon bei relativ hohen Temperaturen (bis zu 143 K = -130 °C)
- Ursache der hohen Sprungtemperaturen nicht bekannt
- Supraleitung bei Zimmertemperatur (20 °C) kaum möglich nach akt. Stand der Theorie
- allerdings Supraleiter mit flüssigem Stickstoff relativ billig in supraleitende Phase versetzbar, da Siedetemperatur mit 77 Kelvin (-196 Grad Celsius) unterhalb von Tc

Anwendungen:
Magnete:
- supraleitenden Spulen à Elektromagnet für energiesparende hohe Magnetfelder, da bei normalen Magneten zu schnelle Wärmeabgabe
- wichtige technische Anwendungà NMR-Spektroskopie und darauf aufbauende Magnetresonanztomografie (MRT), Verfahren für die meist sehr hohe magnetische Feldstärken benötigt werden (z.B. zur Zeit in MRT-Geräten Magnete mit etwa 800 Spulenwicklungenà400 Ampereà magnetische Feldstärken von 1,5 Tesla).
- Magnetfeld bleibt über mehrere Jahre konstant, wenn permanent gekühlt wird

- auch in Teilchenbeschleunigern eingesetzt
- geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen


- bei ultratiefen Temperaturen ebenfalls von großer Bedeutung
- z.B. effiziente Erzeugung notwendiger Felder zur Magnetischen Kühlung



- Effekte aus Umfeld der Supraleitung werden in der Messtechnik eingesetzt
à Messen extrem kleiner Magnetfelder
à SQUIDs mit Josephson-Effekt und Flussquantisierung
- Nur magnetischer Fluss durch supr. Ring möglich, der ganzzahliges Vielfaches von Flussquantum ist
- Bei Veränderung des äußeren Magnetfeldes Anregung eines Kreisstromes
à Erhöhung oder Abfall des magnetischen Flusses im supraleitenden Ring auf das nächstgelegene Vielfache des Flussquantums
à schwer zu messen
à Einfügen von zwei Josephson-Kontakten
Anlegen von Gleichstrom über I(c) an diese à
Tunnelung von Elektronen, weil einige Cooper-Paare aufbrechen
- Elektronen à Widerstand à Spannung messbar
- Verwendung von Supraleitern 2. Art(Keramik) zum Transport höherer elektrischer Ströme
- Schwierigkeit, dass bei Übergang zu Normalzustand Isolatoren entstehen
- der durch Leitungsinduktivität kurz weiterfließende Strom lässt Material in Rauch aufgehen
- Einbettung mikroskopisch dünner Fäden als in normale Leiter
à Haupthindernis









Quelle:




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Massenspektrometrie



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Tipp:







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