Definition, Typen und Verwendungszwecke von Supraleitern

Ein Supraleiter ist ein Element oder eine Metalllegierung, die beim Abkühlen unter eine bestimmte Schwellentemperatur den gesamten elektrischen Widerstand des Materials drastisch verliert. Im Prinzip können Supraleiter den elektrischen Strom ohne Energieverlust fließen lassen (obwohl es in der Praxis sehr schwierig ist, einen idealen Supraleiter herzustellen). Diese Stromart wird als Überstrom bezeichnet.

Die Schwellentemperatur, unterhalb derer ein Material in einen Supraleiterzustand übergeht, wird als bezeichnet T_c, was für kritische Temperatur steht. Nicht alle Materialien verwandeln sich in Supraleiter, und die Materialien, die dies tun, haben jeweils ihren eigenen Wert von T_c.

Arten von Supraleitern

• Typ I Supraleiter Wirken als Leiter bei Raumtemperatur, aber wenn unten gekühlt T_c, Die molekulare Bewegung im Material reduziert sich so stark, dass sich der Stromfluss ungehindert bewegen kann.
• Typ-2-Supraleiter sind bei Raumtemperatur keine besonders guten Leiter, der Übergang in einen Supraleiterzustand verläuft allmählicher als bei Typ-1-Supraleitern. Der Mechanismus und die physikalische Grundlage für diese Zustandsänderung sind derzeit nicht vollständig bekannt. Typ-2-Supraleiter sind typischerweise metallische Verbindungen und Legierungen.

Entdeckung des Supraleiters

Die Supraleitung wurde erstmals 1911 entdeckt, als die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes Quecksilber auf etwa 4 Grad Kelvin abkühlte, was ihm 1913 den Nobelpreis für Physik einbrachte. In den Jahren seitdem hat sich dieses Gebiet stark erweitert und viele andere Formen von Supraleitern wurden entdeckt, einschließlich Typ-2-Supraleitern 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 von 1973 ging an Brian Josephson, ebenfalls für die Arbeit mit Supraleitung.

Im Januar 1986 machten Karl Müller und Johannes Bednorz eine Entdeckung, die das Denken der Wissenschaftler über Supraleiter revolutionierte. Vor diesem Zeitpunkt bestand das Verständnis darin, dass sich die Supraleitung nur manifestierte, wenn sie auf nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Unter Verwendung eines Oxids aus Barium, Lanthan und Kupfer stellten sie jedoch fest, dass es sich um einen Supraleiter bei etwa 40 Grad Kelvin handelte. Dies löste einen Wettlauf um die Entdeckung von Materialien aus, die bei viel höheren Temperaturen als Supraleiter fungierten.

In den Jahrzehnten seitdem lagen die höchsten erreichten Temperaturen bei etwa 133 Grad Kelvin (obwohl Sie mit hohem Druck bis zu 164 Grad Kelvin erreichen könnten). Im August 2015 berichtete ein in der Fachzeitschrift 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 Colliders. Die Tunnel, die die Strahlen geladener Teilchen enthalten, sind von Röhren umgeben, die leistungsstarke Supraleiter enthalten. Die durch die Supraleiter fließenden Superströme erzeugen durch elektromagnetische Induktion ein starkes Magnetfeld, mit dem das Team nach Wunsch beschleunigt und gelenkt werden kann.

Darüber hinaus weisen Supraleiter den Meißner-Effekt auf, bei dem sie den gesamten Magnetfluss im Material aufheben und perfekt diamagnetisch werden (entdeckt 1933). In diesem Fall laufen die Magnetfeldlinien tatsächlich um den gekühlten Supraleiter herum. Es ist diese Eigenschaft von Supraleitern, die häufig in Magnetschwebeversuchen verwendet wird, wie z. Mit anderen Worten, wenn Zurück in die Zukunft Style-Hoverboards werden immer Realität. In einer weniger alltäglichen Anwendung spielen Supraleiter eine Rolle in modernen Fortschritten bei Magnetschwebezügen, die eine leistungsstarke Möglichkeit für den öffentlichen Hochgeschwindigkeitsverkehr darstellen, der im Gegensatz zu nicht erneuerbarem Strom auf Strom basiert (der mit erneuerbarer Energie erzeugt werden kann) Optionen wie Flugzeuge, Autos und kohlebetriebene Züge.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..