Supraleitung
 
 

 


 

Supraleitung ist neben der Suprafluidität (Strömen von Flüssigkeiten ohne Reibung) ein besonders faszinierendes quantenmechanisches Phänomen, steht sie doch in scheinbarem Widerspruch mit der üblichen Erfahrung, daß kein Bewegungsvorgang verlustfrei ablaufen kann. Im Mikrokosmos ist ja bekannt, daß z.B. die Elektronen in der klassischen Interpretation quasi verlustfrei den Atomkern umrunden. Daß dies auch makroskopisch möglich ist entdeckte bereits 1911 Kamerlingh Onnes in Quecksilber, allerdings bei der Temperatur von 4K (-269?C). Für die Entdeckung einer neuen Klasse von keramischen Kupferoxiden mit Supraleitung bei relativ hohen Temperaturen (zunächst 35K (-238°C), später 133K (-140°C)) war Bednorz und Müller im Jahr 1987 der Nobelpreis zuerkannt worden
 
 

Supraleitung: Wie funktioniert das?

Ein anschauliches Verständnis der Supraleitung ist mit dem Verständnis der Quantenmechanik verbunden. Die Quantenmechanik vereint das Wellenbild der Physik mit dem Teilchenbild. Auch ein Fahrzeug auf der Autobahn hat Wellencharakter, nur ist die Wellenlänge so klein im Vergleich zu den umgebenden Abmessungen, daß typische Wellenerscheinungen wie Beugung und Interferenz nicht beobachtet werden. Das Elektron im Atom hingegen besitzt eine Wellenlänge vergleichbar mit den Atomabmessungen. Deswegen kann das Elektron nur auf gewissen Bahnen den Atomkern umkreisen, weil nur auf diesen Bahnen ein Vielfaches seiner Wellenlänge in den Umfang der Bahn paßt und somit das Elektron nicht weginterferieren kann. Jede dieser möglichen Bahnen entspricht einer bestimmten Energie. Damit kann das Elektron auch nicht einfach kontinuierlich Energie aufnehmen oder abgeben, sondern immer nur soviel, um von einer Bahn in eine andere zu gelangen. Dadurch ist die Bewegung in den Bahnen sozusagen "reibungsfrei", weil Energie nicht mehr kontinuierlich verloren werden kann.
Im Supraleiter sind die Verhältnisse sehr ähnlich. Bei Temperaturen über der Sprungtemperatur ist der Supraleiter ein normales Metall. Die Elektronen sind nicht wie im Atom auf einzelne Energien (Bahnen) beschränkt, sondern können innerhalb eines erlaubten Bereiches, dem Energieband, beliebig Energie aufnehmen und auch wieder abgeben; dies entspricht der normalen elektrischen Leitung  und die mögliche kontinuierliche Energieabgabe macht sich als elektrischer Widerstand bemerkbar. Die Elektronen besitzen die Tendenz Paare zu bilden, z.B. über die gemeinsame Anziehung zu den positiv geladenen Atomkernen. Die Bindungsenergie ist dabei recht klein, sodaß bei hohen Temperaturen die Paare sofort zerstört werden. Kühlt man hingegen den Supraleiter unter seine Sprungtemperatur ab, so sind sogenannten Cooperpaaaren. Diese besitzen ähnlich den Elektronen im Atom eine genaue Energie und sind durch ihre Bindungsenergie von den normalen Elektronen getrennt. Dadurch können sie nicht mehr kontinuierlich Energie abgeben und der elektrische Widerstand verschwindet.
 
 


Warum schweben Supraleiter?

Die Cooperpaare sind im Supraleiter für den verlustfreien Stromtransport verantwortlich. Bringt man sie in ein magnetisches Feld, so passiert, was in jeder geschlossenen Metallschleife stattfindet: es wird eine Strom induziert der dem magnetischen Feld entgegenwirkt. Die Metallschleife oder der Supraleiter stößt sich daher vom Magneten ab. Im Supraleiter fließt dieser Strom beliebig lang, er schwebt daher über dem Magneten bis er durch Erwärmung über die Sprungtemperatur seine Supraleitung verliert. Supraleiter können aber viel mehr! Wird nämlich der Supraleiter auch im Magnetfeld unterhalb die Sprungtemperatur abgekühlt, so wird ein supraleitender Strom erzeugt, welcher dem Magnetfeld entgegenwirkt und der Supraleiter von einem Magneten abhebt und dann schwebt. Dies wird Meissner-Effekt genannt im Gegensatz zum vorher beschriebenen Shielding-Effekt. Ursache dafür ist, daß im Magnetfeld keine ruhenden Cooperpaare gebildet werden. Die normalen nicht gepaarten Elektronen besitzen eine Geschwindigkeitsverteilung. Im Magnetfeld paaren sich Elektronen mit nicht genau gegensätzlicher Geschwindig-keit, wodurch das Cooperpaar selbst eine Restgeschwindig-keit besitzt. Im Magnetfeld wird dieses bewegte Cooperpaar auf eine Kreisbahn abgelenkt, was einem Kreisstrom entspricht der dem Magnetfeld entgegenwirkt. Dadurch versucht der Supraleiter das Magnetfeld zu verdrängen und stößt sich vom Magneten ab.
 
 


Versuch: elektrischer Widerstand


 


Der elektrische Widerstand wird laufend gemessen und in m? angezeigt. Durch drücken der Taste "Kühlen" wird flüssiger Stickstoff in ein doppelwandiges Glasgefäß gepumpt. In diesem befindet sich eine Probe des Hochtemperatursupraleiters (HTc-Probe). Wenn die HTc-Probe im flüssigen Stickstoff untertaucht, sollte der elektrische Widerstand sehr klein sein. Durch Loslassen der Taste "Kühlen" beendet man das Befüllen mit flüssigem Stickstoff und beobachtet beim langsamen Erwärmen der HTc-Probe, wie der elektrische Widerstand bei Erreichen der Sprungtemperatur plötzlich ansteigt. Das Aufwärmen kann mit Hilfe eines Föns, der mit der Taste "Heizen" aktiviert wird, beschleunigt werden.
Die Messung des elektrischen Widerstandes erfolgt mit Hilfe der Lock-In Technik. Dabei wird ein kleiner Wechselstrom durch die HTc-Probe geschickt und nur Spannungen, welche im richtigen Phasenverhältnis zum Wechselstrom stehen, werden für die Widerstandsmessung verwendet. Dadurch wird eine Meßgenauigkeit von  ca. 10-3 m? erreicht. Die Temperatur wird aus dem elektrischen Widerstand eines Platindrahtes ermittelt.
 
 

Versuch: Magnetschwebebahn

Durch drücken der Taste "Kühlen" wird flüssiger Stickstoff in den Styroporbehälter gefüllt bis die darin befindliche Probe des Hochtemperatursupraleiters (HTc-Probe) im flüssigen Stickstoff untertaucht. Dadurch befindet sich die HTc-Probe im supraleitenden Zustand. Durch Drücken der Taste "Start" wird die HTc-Probe auf das Magnetband befördert, wo sie dann in geringem Abstand schwebend, nur durch den Luftwiderstand gebremst, über die Bahn dahingleitet. Wenn die HTc-Probe durch Erwärmung ihre Supraleitung verliert, bleibt sie auf der Bahn liegen und wird von einem Schieber automatisch zurück in den Styroporbehälter befördert. Durch Drücken der Taste "Exzenter" kann die Form der Bahn verändert werden.
 
 

Versuch: Meissner Effekt

Durch drücken der Taste "Kühlen" fließt flüssiger Stickstoff auf eine Probe des Hochtemperatursupraleiters (HTc-Probe), welche sich auf einem Magneten befindet. Wird dabei die HTc-Probe unter ihre Sprungtemperatur abgekühlt so setzt Supraleitung ein und die HTc-Probe hebt vom Magneten ab und schwebt. Durch vorsichtiges Kühlen kann dieser Schwebezustand aufrecht erhalten werden. Wärmt die HTc-Probe über die Sprungtemperatur auf, so verliert sie ihre supraleitenden Eigenschaften und sinkt zurück auf den Magneten.