Supraleitung: Nullwiderstand, Quantenphänomene und praktische Anwendungen

Wenn ein Leiter auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt – etwa –273 °C – gekühlt wird, kann er seinen gesamten elektrischen Widerstand verlieren, nicht nur einen kleinen Teil. Dieser sprunghafte Übergang zu null Widerstand, nicht ein allmählicher Abfall, ist das Markenzeichen der Supraleitung.

H. Kamerlingh Onnes beobachtete diesen Effekt 1911 an der Universität Leiden, nachdem er 1908 Helium verflüssigt hatte. Durch Abkühlung von Quecksilber knapp über den Siedepunkt von Helium sah er dessen Widerstand auf null zusammenbrechen.

Obwohl der genaue Mechanismus noch diskutiert wird, besagt die führende Erklärung, dass Elektronen sich zu Cooper-Paaren verbinden, die sich ohne Streuung bewegen. Ein verwandter Quantenzustand – Supraleitfähigkeit – ermöglicht bestimmten Flüssigkeiten wie Helium reibungsloses Fließen.

Supraleiter könnten Leistungsverluste in Stromnetzen eliminieren, den Wirkungsgrad von Motoren nahe 100 % bringen und Spulen und Kondensatoren ideal machen, indem sie resistive Unvollkommenheiten entfernen. Prototypen existieren bereits, aber die Kühlung unterhalb der kritischen Temperatur bleibt eine praktische Hürde.

Die Temperatur, bei der ein Material in den supraleitenden Zustand übergeht, ist seine Übergangstemperatur (Tc). Klassische Supraleiter erfordern kryogene Temperaturen, aber Hochtemperatur-Supraleiter arbeiten bereits bei –160 °C oder wärmer. Das Ziel sind Materialien, die bei Umgebungstemperatur oder mit kostengünstiger Kühlung funktionieren.

Nachfolgend eine kompakte Tabelle kritischer Temperaturen gängiger supraleitender Elemente und Legaturen, angegeben in Kelvin (1 K ≈ 1 °C). Kelvin wird verwendet, um negative Zahlen zu vermeiden.

Supraleiter interagieren einzigartig mit Magnetfeldern. Im supraleitenden Zustand stoßen sie magnetischen Fluss aus – ein Phänomen, das als Meissner-Effekt bekannt ist. Übersteigt das Feld jedoch den kritischen Wert des Materials, geht die Supraleitung verloren. Jedes Magnetfeld senkt die kritische Temperatur, daher muss ein Supraleiter, der hohen Strömen (die Felder erzeugen) ausgesetzt ist, kälter gehalten werden.

Diese magnetischen Beschränkungen beeinflussen das Schaltungsdesign, da der Nullwiderstand eines supraleitenden Drahtes immer noch ein Stromlimit durch sein kritisches Magnetfeld auferlegt.

Die industrielle Nutzung beschleunigte sich nach 1987, als das Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Keramik entdeckt wurde. Es supraleitet bei –160 °C und kann mit flüssigem Stickstoff statt flüssigem Helium gekühlt werden. Lehrkits ermöglichen nun Schullabors, den Meissner-Effekt durch Schweben eines Magneten über einer gekühlten Scheibe zu demonstrieren.

Nullwiderstand bedeutet auch, dass ein supraleitender Ring einen anhaltenden Strom unbegrenzt ohne externe Energie aufrechterhalten kann – im Wesentlichen ein perfektes Energiespeicherelement. Obwohl dies einem Perpetuum Mobile ähnelt, verletzt es die Thermodynamik nicht, da es Energie speichert, nicht erzeugt.

Eine weitere faszinierende Anwendung ist der Josephson-Kontakt, ein supraleitendes „Relais“, das einen Strom mit einem anderen steuert, ohne bewegliche Teile. Seine winzige Größe und ultraschnelles Schalten versprechen neue Computerarchitekturen, die Halbleitertransistoren rivalisieren könnten.

Kernaussagen

• Supraleiter haben absoluten Nullwiderstand.
• Alle bekannten Supraleiter erfordern Kühlung unter ihre Übergangstemperatur, die materialabhängig variiert.

Weiterführende Arbeitsblätter

• Spannung, Strom und Widerstand Arbeitsblatt
• Spezifischer Widerstand von Leitern Arbeitsblatt