Supraleitung

Leiter verlieren ihren gesamten elektrischen Widerstand, wenn sie auf sehr niedrige Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt, etwa -273° Celsius) abgekühlt werden. Es muss verstanden werden, dass Supraleitung nicht nur eine Extrapolation der Tendenz der meisten Leiter ist, mit abnehmender Temperatur allmählich ihren Widerstand zu verlieren; es ist vielmehr ein plötzlicher Quantensprung im spezifischen Widerstand von endlich zu nichts. Ein supraleitendes Material hat absolut keinen elektrischen Widerstand, nicht nur einen kleinen Betrag .

Die Supraleitung wurde erstmals 1911 von H. Kamerlingh Onnes an der Universität Leiden, Niederlande, entdeckt. Nur drei Jahre zuvor, 1908, hatte Onnes eine Methode zur Verflüssigung von Heliumgas entwickelt, die ein Medium zur Verfügung stellte, mit dem experimentelle Objekte auf gerade ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt. Er beschloss, Änderungen des elektrischen Widerstands von Quecksilber zu untersuchen, wenn es auf diese niedrige Temperatur abgekühlt wurde, und stellte fest, dass sein Widerstand auf nichts abfiel knapp unter dem Siedepunkt von Helium.

Es gibt einige Debatten darüber, wie und warum supraleitende Materialien supraleitend sind. Eine Theorie besagt, dass Elektronen sich gruppieren und in Paaren reisen (sogenannte Cooper-Paare .). ) innerhalb eines Supraleiters statt unabhängig zu reisen, und das hat etwas mit ihrem reibungslosen Fluss zu tun. Interessanterweise gibt es ein weiteres Phänomen superkalter Temperaturen, die Superfluidität , passiert mit bestimmten Flüssigkeiten (insbesondere flüssigem Helium), was zu einem reibungslosen Fluss von Molekülen führt.

Supraleitung verspricht außergewöhnliche Fähigkeiten für elektrische Schaltungen. Könnte man den Leiterwiderstand vollständig eliminieren, gäbe es keine Leistungsverluste oder Ineffizienzen in elektrischen Energiesystemen durch Streuwiderstände. Elektromotoren könnten nahezu perfekt (100 %) effizient gemacht werden. Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten, deren ideale Eigenschaften normalerweise durch inhärente Drahtwiderstände beeinträchtigt werden, könnten praktisch ideal gemacht werden. Es wurden bereits einige praktische supraleitende Leiter, Motoren und Kondensatoren entwickelt, aber ihre Verwendung ist derzeit aufgrund der praktischen Probleme, die der Aufrechterhaltung superkalter Temperaturen innewohnen, begrenzt.

Die Schwellentemperatur für einen Supraleiter, um von normaler Leitung zu Supraleitung zu wechseln, wird als Übergangstemperatur bezeichnet . Übergangstemperaturen für „klassische“ Supraleiter liegen im kryogenen Bereich (nahe dem absoluten Nullpunkt), aber es wurden große Fortschritte bei der Entwicklung von „Hochtemperatur“-Supraleitern gemacht, die bei wärmeren Temperaturen supraleitend sind. Ein Typ ist eine keramische Mischung aus Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff, die bei relativ milden -160° Celsius übergeht. Im Idealfall sollte ein Supraleiter im Bereich der Umgebungstemperatur oder zumindest im Bereich kostengünstiger Kühlgeräte betrieben werden können.

Die kritischen Temperaturen für einige gängige Stoffe sind hier in dieser Tabelle aufgeführt. Temperaturen werden in Kelvin angegeben, was die gleiche inkrementelle Spanne wie Grad Celsius hat (eine Erhöhung oder Verringerung um 1 Kelvin entspricht der gleichen Temperaturänderung wie 1 ° Celsius), nur so verschoben, dass 0 K der absolute Nullpunkt ist. Auf diese Weise müssen wir uns nicht mit vielen negativen Zahlen herumschlagen.

Material Element/Legierung Kritische Temperatur (K) AluminiumElement1.20CadmiumElement0.56BleiElement7.2QuecksilberElement4.16NiobiumElement8.70ThoriumElement1.37ZinnElement3.72TitaniumElement0.39UraniumElement1.0ZinkElement0.91Niobium/ZinnLegierung18.1Kupfersulfid-Verbindung1.6

Auch supraleitende Materialien wechselwirken auf interessante Weise mit Magnetfeldern. Im supraleitenden Zustand neigt ein supraleitendes Material dazu, alle Magnetfelder auszuschließen, ein Phänomen, das als Meißner-Effekt bekannt ist . Steigt die magnetische Feldstärke jedoch über einen kritischen Wert hinaus, wird das supraleitende Material nicht-supraleitend. Mit anderen Worten, supraleitende Materialien verlieren ihre Supraleitfähigkeit (egal wie kalt Sie sie machen), wenn sie einem zu starken Magnetfeld ausgesetzt werden. Tatsächlich ist die Anwesenheit von jedem Magnetfeld neigt dazu, die kritische Temperatur jedes supraleitenden Materials zu senken:Je mehr Magnetfeld vorhanden ist, desto kälter muss das Material gemacht werden, bevor es supraleitend wird.

Dies ist eine weitere praktische Einschränkung für Supraleiter im Schaltungsdesign, da elektrischer Strom durch jeden Leiter ein Magnetfeld erzeugt. Auch wenn ein supraleitender Draht keinen Widerstand gegen Strom hätte, gibt es immer noch eine Grenze wie viel Strom aufgrund seiner kritischen Magnetfeldgrenze praktisch durch diesen Draht fließen könnte.

Es gibt bereits einige industrielle Anwendungen von Supraleitern, insbesondere seit der jüngsten (1987) Einführung der Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Keramik, die zum Abkühlen nur flüssigen Stickstoff benötigt, im Gegensatz zu flüssigem Helium. Es ist sogar möglich, Supraleitungs-Kits von Bildungsanbietern zu bestellen, die in Gymnasien betrieben werden können (flüssiger Stickstoff nicht enthalten). Typischerweise weisen diese Kits Supraleitfähigkeit durch den Meissner-Effekt auf, indem ein winziger Magnet in der Luft über einer supraleitenden Scheibe aufgehängt wird, die durch ein Bad aus flüssigem Stickstoff gekühlt wird.

Der Nullwiderstand supraleitender Schaltungen führt zu einzigartigen Konsequenzen. In einem supraleitenden Kurzschluss ist es möglich, große Ströme ohne angelegte Spannung unbegrenzt aufrechtzuerhalten!

Es wurde experimentell nachgewiesen, dass Ringe aus supraleitendem Material jahrelang ohne angelegte Spannung einen kontinuierlichen Strom aushalten. Soweit bekannt, gibt es keine theoretische Zeitbegrenzung dafür, wie lange ein Strom ohne Hilfe in einem supraleitenden Stromkreis aufrechterhalten werden könnte. Wenn Sie denken, dass dies eine Form von Perpetuum mobile ist , Du hast Recht! Entgegen der landläufigen Meinung gibt es kein physikalisches Gesetz, das Perpetuum mobile verbietet; Vielmehr steht das Verbot jeder Maschine oder Anlage entgegen, die mehr Energie erzeugt, als sie verbraucht (was als Übereinheit bezeichnet würde). Gerät). Alles, wofür ein Perpetuum Mobile (wie der supraleitende Ring) bestenfalls gut wäre, ist aufbewahren Energie, nicht erzeugen es frei!

Supraleiter bieten auch einige seltsame Möglichkeiten, die nichts mit dem Ohmschen Gesetz zu tun haben. Eine solche Möglichkeit ist der Bau eines Geräts namens Josephson Junction , das als eine Art Relais fungiert und einen Strom mit einem anderen Strom steuert (natürlich ohne bewegliche Teile). Die geringe Größe und schnelle Schaltzeit von Josephson Junctions kann zu neuen Computerschaltungsdesigns führen:eine Alternative zur Verwendung von Halbleitertransistoren.

RÜCKBLICK:

• Supraleiter sind Materialien, die absolut keinen elektrischen Widerstand haben.
• Alle derzeit bekannten supraleitenden Materialien müssen weit unter die Umgebungstemperatur abgekühlt werden, um supraleitend zu werden. Die maximale Temperatur, bei der sie dies tun, wird als Übergangstemperatur bezeichnet .

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Spannung, Strom und Widerstand
• Arbeitsblatt Spezifischer Leiterwiderstand