Definition, Typen und Verwendung von Supraleitern
Ein Modell des Tunnels des Large Hadron Collider (LHC) ist im Besucherzentrum des CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) zu sehen. Johannes Simon/Getty Images
Ein Supraleiter ist ein Element oder eine metallische Legierung, bei der das Material, wenn es unter eine bestimmte Schwellentemperatur abgekühlt wird, seinen gesamten elektrischen Widerstand dramatisch verliert. Grundsätzlich lassen sich Supraleiter zulassen elektrischer Strom ohne Energieverlust zu fließen (obwohl ein idealer Supraleiter in der Praxis sehr schwer herzustellen ist). Diese Art von Strom wird Suprastrom genannt.
Die Schwellentemperatur, unterhalb derer ein Material in einen supraleitenden Zustand übergeht, wird als bezeichnet Tc , was für kritische Temperatur steht. Nicht alle Materialien werden zu Supraleitern, und die Materialien, die dies tun, haben jeweils ihren eigenen Wert Tc .
Arten von Supraleitern
- Supraleiter vom Typ I fungieren als Leiter bei Raumtemperatur, aber wenn sie darunter gekühlt werden Tc , wird die molekulare Bewegung innerhalb des Materials so weit reduziert, dass der Stromfluss ungehindert fließen kann.
- Supraleiter vom Typ 2 sind bei Raumtemperatur keine besonders guten Leiter, der Übergang in einen supraleitenden Zustand erfolgt allmählicher als Supraleiter vom Typ 1. Der Mechanismus und die physikalische Grundlage für diese Zustandsänderung sind derzeit noch nicht vollständig verstanden. Supraleiter vom Typ 2 sind typischerweise metallische Verbindungen und Legierungen.
Entdeckung des Supraleiters
Die Supraleitung wurde erstmals 1911 entdeckt, als Quecksilber von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes auf etwa 4 Grad Kelvin abgekühlt wurde, was ihm 1913 den Nobelpreis für Physik einbrachte. In den folgenden Jahren hat sich dieses Gebiet stark ausgeweitet und viele andere Formen von Supraleitern wurden entdeckt, einschließlich Supraleiter vom Typ 2 in den 1930er Jahren.
Die grundlegende Theorie der Supraleitung, die BCS-Theorie, brachte den Wissenschaftlern John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer 1972 den Nobelpreis für Physik ein. Ein Teil des Nobelpreises für Physik 1973 ging an Brian Josephson, ebenfalls für Arbeiten zur Supraleitung.
Im Januar 1986 machten Karl Müller und Johannes Bednorz eine Entdeckung, die die Vorstellung der Wissenschaftler von Supraleitern revolutionierte. Vor diesem Punkt war das Verständnis, dass sich Supraleitung nur manifestiert, wenn sie auf nahe gekühlt wird Absoluter Nullpunkt , aber unter Verwendung eines Oxids aus Barium, Lanthan und Kupfer stellten sie fest, dass es bei ungefähr 40 Grad Kelvin zu einem Supraleiter wurde. Dies löste einen Wettlauf um die Entdeckung von Materialien aus, die bei viel höheren Temperaturen als Supraleiter funktionieren.
In den Jahrzehnten danach lagen die höchsten erreichten Temperaturen bei etwa 133 Grad Kelvin (obwohl man bis zu 164 Grad Kelvin erreichen konnte, wenn man einen hohen Druck anwendete). Im August 2015 berichtete ein in der Zeitschrift Nature veröffentlichter Artikel über die Entdeckung der Supraleitung bei einer Temperatur von 203 Grad Kelvin unter hohem Druck.
Anwendungen von Supraleitern
Supraleiter werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, vor allem aber in der Struktur des Large Hadron Collider. Die Tunnel, die die Strahlen geladener Teilchen enthalten, sind von Röhren umgeben, die leistungsstarke Supraleiter enthalten. Die Supraströme, die durch die Supraleiter fließen, erzeugen ein intensives Magnetfeld, durch Elektromagnetische Induktion , mit denen das Team nach Belieben beschleunigt und gelenkt werden kann.
Darüber hinaus weisen Supraleiter die Meissner-Effekt in dem sie den gesamten magnetischen Fluss innerhalb des Materials aufheben und perfekt diamagnetisch werden (entdeckt 1933). In diesem Fall laufen die magnetischen Feldlinien tatsächlich um den gekühlten Supraleiter herum. Es ist diese Eigenschaft von Supraleitern, die häufig in Magnetschwebeexperimenten verwendet wird, wie beispielsweise die Quantenverriegelung, die bei der Quantenschwebebahn beobachtet wird. Mit anderen Worten, wenn Zurück in die Zukunft Hoverboards im Stil werden jemals Realität. In einer weniger profanen Anwendung spielen Supraleiter eine Rolle bei modernen Fortschritten in Magnetschwebebahnen , die im Gegensatz zu nicht erneuerbaren Stromoptionen wie Flugzeugen, Autos und kohlebetriebenen Zügen eine leistungsstarke Möglichkeit für den öffentlichen Hochgeschwindigkeitsverkehr bieten, der auf Strom basiert (der mit erneuerbarer Energie erzeugt werden kann).
Bearbeitet vonAnne Marie Helmenstine, Ph.D.