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2279 Supraleiter Physik 11 1+ 4221
Kurzbeschreibung
Inhalt des Referats
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
Quellenangaben des Verfassers