Was ist Supraleitung?

Betrachten Sie Ihr Auto: Im Durchschnitt werden nur 12,6 Prozent der chemischen Energie, die Sie für über 3,50 USD (oder was auch immer Sie bezahlen) pro Gallone einpumpen, in Bewegung umgesetzt. Der Rest entfällt auf die Überwindung von Luftwiderstand, Trägheit und anderen mechanischen Ineffizienzen, wobei satte 62,4 Prozent durch Motorreibung, Luftpumpen und Abwärme verbraucht werden [Quelle: California Energy Commission ].

Wärme entsteht in allen möglichen Systemen. Wie ein Energieveruntreuer schöpft es die Spitze chemischer Reaktionen, physikalischer Systeme und elektrischer Schaltkreise ab . Unabhängig davon, ob es sich um die Folge oder die Ursache von Effizienzverlust handelt, das Ergebnis ist, dass Sie bei dem Geschäft einen Verlust hinnehmen. Hitze ist der Grund, warum wir kein Perpetuum Mobile erreichen können (oder eine Bewegung, die niemals aufhört).

Das ist auch der Grund, warum Kraftwerke Strom auf Hochspannung verstärken müssen, wenn sie ihn über Land übertragen: um Energie zu überwinden, die durch Widerstand verloren geht – das elektrische Gegenstück der Reibung. Stellen Sie sich vor, wir könnten einen Weg finden, den Widerstand zu beseitigen und dadurch den Energieverlust zu beseitigen: keine Servicegebühren, keine Steuern und kein Schutzgeld. Energie rein = Energie raus.

Geben Sie Supraleiter ein. Wenn die drei Hauptsätze der Thermodynamik besagen, dass es kein kostenloses Mittagessen gibt, dann haben Supraleiter ihren Kuchen und essen ihn auch. Senden Sie Strom durch einen supraleitenden Draht, und er verliert keine Energie durch Widerstand. Biegen Sie den Draht zu einer Schleife, und er hält die Ladung auf unbestimmte Zeit. Lassen Sie es über einem Magneten schweben , und die Sonne wird die Erde verschlingen, bevor sie untergeht.

Kurz nach ihrer Entdeckung im Jahr 1911 durch die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes und seine Mitarbeiter Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim und Gilles Holst inspirierte die Supraleitung Träume von einer verlustfreien elektrischen Übertragung. Leider gab es einen Haken.

Supraleiter erfordern sehr niedrige Temperaturen in der Größenordnung von 39 Kelvin (minus 234 ° C, minus 389 ° F) für herkömmliche Supraleiter. Der massive Quecksilberdraht, den Kamerlingh Onnes verwendete, erforderte Temperaturen unter 4,2 K (minus 269,0 C, minus 452,1 F). Selbst sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter entfalten ihre Wirkung erst unterhalb von 130 K (minus 143 C, minus 225,7 F).

Erschwerend kommt hinzu, dass Supraleiter ihren widerstandslosen Zustand verlassen, wenn sie einem zu großen Magnetfeld – oder zu viel Strom – ausgesetzt werden.

Es war jedoch nicht alles verloren. Moderne Supraleiter wie Niob-Titan (NbTi) haben die Messlatte höher gelegt, wie viel magnetische Belastung sie aushalten können. Ihre überlegenen Magnetfelder machen sie nützlich in bestimmten Magnetschwebebahnen sowie in Protonenbeschleunigern, wie dem bei Fermilab, oder MRI-Geräten , ihrer häufigsten Anwendung. Forscher hoffen, sie in naher Zukunft in neuen Energietechnologien wie Energiespeichersystemen oder hocheffizienten Windturbinen einsetzen zu können .

Bevor wir uns die schockierenden Möglichkeiten ansehen, wie Supraleiter dem Widerstand ausweichen, wollen wir uns ansehen, wie der Widerstand funktioniert.

1. Widerstand ist zwecklos
2. Gute Stimmung
3. Arten von Supraleitern: Magnetische Persönlichkeiten
4. Arten von Supraleitern: (Relativ) heiße Tamales

Manche Dirigenten sind besser als andere; der schlüssel ist die organisation. Gute Zugbegleiter halten die Eisenbahnen pünktlich am Laufen – und Arturo Toscanini sorgte dafür, dass das NBC Symphony Orchestra im Takt spielte – indem sie komplexe Elemente in geordnete Systeme einfügten.

Gute elektrische Leiter weisen eine ähnlich harmonische Organisation auf, haben aber mit Widerständen zu kämpfen. Tatsächlich ist der Widerstand das, was herkömmliche Leiter von ihren Vettern mit Superkräften unterscheidet.

Stellen Sie sich freie Elektronen in einem typischen Leiter wie Menschen vor, die um ein Zugterminal herumlaufen. Ein angelegter Strom ist wie die Glocke, die die Ankunft des Zuges ankündigt: Einzelne Bewegungen verwandeln sich augenblicklich in eine einzige, vereinte Bewegung auf die Bahnsteige zu – oder würden es, wenn da nicht ein paar Störenfriede wären, die an den Kiosken stolpern, drängeln, zaudern oder sich weigern, auf der Rolltreppe auszuweichen. Dank des Widerstands, den sie bieten, verpassen einige Reisende den Zug, und der Strom verliert an Energie. So ist das Leben in Conductor Terminal.

Ersetzen Sie diese Reisenden jetzt durch einen Undercover- Flashmob . An der Glocke schließen sie sich zusammen und führen einen synchronisierten, choreografierten Tanz über das Terminal auf. Niemand verpasst den Zug, und alle sind weniger müde, wenn sie dort ankommen. Das ist das Wunder des Reisens in der Supraleiterstation.

Bevor wir uns jedoch mit den Schritten dieses Teilchen-Pas de deux befassen, wollen wir einen Schritt zurücktreten und uns ansehen, wie Widerstand weltliche Materialien durcheinander bringt. Wir fangen einfach an und fügen im Laufe der Zeit Komplexität hinzu.

Obwohl es Ausnahmen gibt, meinen wir, wenn wir von elektrischem Strom sprechen , normalerweise einen Elektronenstrom, der durch ein Medium fließt. Wie gut ein Material Strom leitet , hängt davon ab, wie leicht seine Atome Elektronen abgeben. Isolatoren sind geizig, wohingegen Schaffner ihre wie Matrosen auf Landgang verbringen.

Die gespendeten Elektronen, die jetzt als Leitelektronen bekannt sind, umkreisen nicht einzelne Atome, sondern schweben frei durch den Leiter, wie unsere Zugpendler oben. Wenn ein Strom angelegt wird, fließen sie durch das Material und übertragen Strom.

Ein Leiter besteht aus einem Atomgitter; damit strom fließen kann, müssen sich elektronen möglichst störungsfrei durch dieses gitter bewegen. Wie ein Haufen Tennisbälle, die durch ein Klettergerüst geworfen werden, stehen die Chancen gut, dass einige Elektronen das Gitter treffen. Die Wahrscheinlichkeit von Interferenzen steigt, wenn Bereiche aus der Form gebogen werden. So ist leicht zu erkennen, dass Materialfehler eine Ursache für Widerstände in Leitern darstellen.

In dieser Klettergerüst-Analogie werden Atome durch die Schnittpunkte von Metallstäben dargestellt. Tatsächlich ist das Gitter eines Dirigenten nicht steif; Seine Atome vibrieren und die Wechselwirkungen, die sie verbinden, oszillieren, also ist es besser, es sich als ein Gitter aus Federn vorzustellen. Was bringt diese Atome zum Schwingen? Je höher die Temperatur, desto mehr vibriert das Gitter und desto wahrscheinlicher ist es, dass unsere Tennisbälle auf Störungen stoßen. Machen Sie sich die zweite Hauptquelle des Widerstands gegen unseren alten Freund, Hitze, zu eigen.

Da stellt sich die Frage: Wenn Hitze das Problem ist, ist Kälte vielleicht nicht die Lösung? Chill mal kurz: Dazu kommen wir im nächsten Abschnitt.

Wenn Hitze den Widerstand erhöht, sollte das Herunterkurbeln des Thermostats ihn verringern, richtig? Nun, das tut es, in Grenzen. Bei normalen Leitern fällt der Widerstand mit fallendem Thermometer, verschwindet aber nie. Supraleiter funktionieren etwas anders.

Wenn ein Supraleiter abkühlt, folgt er einer ähnlichen Kurve mit allmählich fallendem Widerstand, bis er seine besondere kritische Temperatur erreicht ; dann verschwindet schlagartig jeder Widerstand. Es ist, als würde der Widerstand langsam ein Tauziehen mit dem Leitwert verlieren und dann frustriert das Seil loslassen. Tatsächlich durchläuft die Substanz einen Phasenübergang . Wie Eis, das zu Wasser schmilzt, nimmt das herkömmliche Material einen neuen Zustand an, einen ohne Widerstand.

Um zu verstehen, was hier vor sich geht, müssen wir ein paar Änderungen an unserem atomaren Klettergerüst vornehmen. Insbesondere müssen wir damit beginnen, den Magnetismus zu berücksichtigen.

Wenn die Atome in einem Leiter Elektronen abgeben, werden sie zu positiv geladenen Ionen, was eine Nettoanziehung zwischen dem Atomgitter und den negativ geladenen Elektronen verursacht, die es passieren. Mit anderen Worten, als ob Vibrationen und Verformungen nicht schlimm genug wären, sind die Tennisbälle, die wir durch unser oszillierendes Klettergerüst werfen, Magnete. Sie könnten annehmen, dass dies ihre Wahrscheinlichkeit erhöht, beim Durchgang durch unser wackeliges Gitter auf Widerstand zu stoßen, und Sie haben Recht - für normale Leiter. Supraleiter nutzen es jedoch zu ihrem Vorteil.

Stellen Sie sich ein Paar Tennisbälle vor, die durch das Gitter geworfen werden, einer heiß auf den Schwanz des anderen. Wenn die erste Kugel das positiv geladene Gitter passiert, zieht sie die umgebenden Atome an. Durch die Bündelung erzeugen diese Atome einen lokalen Bereich mit höherer positiver Ladung, was die Kraft erhöht, die das zweite Elektron nach vorne zieht. Folglich ist die Energie, die aufgewendet wird, um durchzukommen, im Durchschnitt ausgeglichen.

Wie Square Dancer bilden und lösen sich diese Cooper-Paare ständig, aber der Gesamteffekt setzt sich auf der ganzen Linie fort und ermöglicht es Elektronen, wie ein gefetteter Blitz durch den Supraleiter zu flitzen.

Cooper-Paare sind nach dem Physiker Leon N. Cooper benannt , der zusammen mit John Bardeen und John Robert S chrieffer das erste erfolgreiche Modell zur Erklärung der Supraleitung in konventionellen Supraleitern entwickelte. Ihre Leistung, die ihnen zu Ehren als BCS-Theorie bekannt ist, brachte ihnen 1972 den Nobelpreis für Physik ein.

Die Supraleitung weigerte sich jedoch, lange festgehalten zu werden; Kurz nachdem die BCS-Theorie auf dem Gebiet Fuß gefasst hatte, begannen die Forscher, andere Supraleiter zu entdecken – wie z. B. hochtemperatursupraleitende Kupferoxide – die das BCS-Modell brachen.

In diesem nächsten Abschnitt werden wir uns ansehen, was diese exotischen Supraleiter von den anderen unterscheidet.

Dauerwelle

Die Quantenmechanik sagt uns, dass Elektronen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften aufweisen. Um also Widerstand und Supraleitung zu konzeptualisieren, müssen Sie sich Elektronen als Wellen vorstellen, die sich durch ein Material ausbreiten, wie Wellen auf einem Teich. Der Widerstand, der durch die Schwingungen angeregter Ionen verursacht wird, ähnelt Steinen, die in diesen See geworfen werden und Gegenwellen erzeugen, die die Elektronenwelle stören oder aufheben. Der Unterschied zwischen normalen Leitern und Supraleitern liegt im Organisationsgrad. In Supraleitern nehmen alle Elektronen eine nahezu identische Geschwindigkeit und Richtung an und bilden eine einzige, organisierte Welle, die einer Störung widersteht.

Je nachdem, wie man den Kuchen aufschneidet, gibt es entweder viele Arten von Supraleitern oder nur zwei. Aus der Perspektive, wie sie sich in Magnetfeldern verhalten, klassifizieren Wissenschaftler sie jedoch üblicherweise in zwei Gruppen.

Ein Supraleiter vom Typ I besteht normalerweise aus einem reinen Metall. Wenn es unter seine kritische Temperatur abgekühlt wird, weist ein solches Material einen elektrischen Widerstand von Null auf und zeigt einen perfekten Diamagnetismus , was bedeutet, dass Magnetfelder es nicht durchdringen können, während es sich im supraleitenden Zustand befindet.

Supraleiter vom Typ II sind normalerweise Legierungen, und ihr Diamagnetismus ist komplexer. Um zu verstehen warum, müssen wir uns ansehen, wie Supraleiter auf Magnetismus reagieren .

So wie jeder Supraleiter eine kritische Temperatur hat, die seinen supraleitenden Zustand herstellt oder bricht, ist jeder auch einem kritischen Magnetfeld ausgesetzt . Ein Supraleiter vom Typ I tritt bei einer solchen Schwelle in den supraleitenden Zustand ein und verlässt ihn, aber ein Material vom Typ II ändert seinen Zustand zweimal, bei zwei unterschiedlichen Magnetfeldschwellen.

Die Unterscheidung zwischen Materialien vom Typ I und Typ II ähnelt der Unterscheidung zwischen Trockeneis (festes Kohlendioxid) und Wassereis. Beide Festkörper kühlen gut, gehen aber unterschiedlich mit Wärme um: Wassereis schmilzt in einen gemischten Zustand, Eiswasser, während Trockeneis sublimiert : Bei Normaldruck geht es direkt von fest zu gasförmig über.

In Bezug auf Magnetismus ist ein Supraleiter vom Typ I wie Trockeneis: Wenn es seinem kritischen Feld ausgesetzt wird, brennt seine Supraleitfähigkeit sofort ab. Ein Typ II ist vielseitiger.

In einem schwachen Feld zeigt ein Typ-II-Material ein ähnliches Verhalten wie ein Typ-I-Material, genauso wie H ₂ O und CO ₂ beide effektiv kühlen, während sie sich in ihren festen Zuständen befinden. Erhöhen Sie das Magnetfeld jedoch über einen bestimmten Schwellenwert, und das Material reorganisiert sich in einen gemischten Zustand – einen Wirbelzustand, in dem kleine Strudel aus supraleitendem Strom um Inseln aus normalem Material fließen. Wie Eiswasser macht es seine Arbeit immer noch ziemlich gut. Steigt die magnetische Feldstärke jedoch an, wachsen die Inseln der Normalität zusammen und zerstören so die umgebenden Strudel der Supraleitung.

Was bedeutet dieser Mischzustand für den Magnetismus? Wir haben diskutiert, was passiert, wenn ein Supraleiter warm wird. Betrachten wir es nun aus der anderen Richtung.

In ihrem normalen, warmen Zustand lassen sowohl Materialien vom Typ I als auch vom Typ II Magnetfelder durch sich fließen, aber wenn sie auf ihre kritischen Temperaturen abkühlen, stoßen sie diese Felder zunehmend aus; Elektronen im Material erzeugen Wirbelströme, die ein Gegenfeld erzeugen, ein Phänomen, das als Meissner-Effekt bekannt ist .

When they reach their critical temperature, Type I superconductors evict any remaining magnetic field like so many deadbeat roommates. Depending on the strength of the magnetic field in which they exist, Type II fields might do the same -- or they might get a little clingy. If they're in a vortex state, the magnetic field that still flows through the islands of normal material in their superconducting streams can become stuck, a phenomenon known as flux pinning (see sidebar) Magnetic flux is a measure of the amount of magnetic field passing through a given surface.

Da sie in diesem stärkeren Magnetfeld Supraleiter bleiben können, sind Materialien vom Typ II wie Niob-Titan (NbTi) gute Kandidaten für die Art von supraleitenden Magneten, die beispielsweise im Protonenbeschleuniger von Fermilab oder in MRT-Geräten zu finden sind .

Wenn Frösche fliegen

Im Jahr 2000 gewannen Andre Geim und Sir Michael Berry den Ig-Nobelpreis für Physik, indem sie einen Frosch sowie Wasser und Haselnüsse mithilfe eines Supraleiters und Diamagnetismus zum Schweben brachten. Obwohl wir dazu neigen, Wasser und organisches Gewebe als nicht magnetisch zu betrachten, zeigen einige Elemente und die meisten Verbindungen eine sehr schwache Abstoßungswirkung, wenn sie einem starken Magnetfeld ausgesetzt werden. Physiker nutzen Diamagnetismus auch, um Supraleiter stabil schweben zu lassen. Der Trick liegt in Typ-II-Supraleitern wie Yttrium-Barium-Kupferoxid, die ein gewisses Magnetfeld durchlassen und es festhalten. Das Video „Quantum Levitation“, das 2011 im Internet viral wurde, veranschaulicht diese Art von Levitation, bei der Magnetismus und Diamagnetismus kombiniert werden, um den Levitator vollkommen still zu halten, im Gegensatz zu Materialien vom Typ I, die stetig schweben, aber wackeln, oder Ferromagneten.

Die industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen von Supraleitern sind durch die speziellen Temperaturbedingungen begrenzt, die sie benötigen, um ihr elektromagnetisches Mojo zu entfalten, daher ist es sinnvoll, Materialien basierend auf ihren kritischen Temperaturen und Druckanforderungen zu klassifizieren.

Hunderte von Substanzen, darunter 27 metallische Elemente – wie Aluminium, Blei, Quecksilber und Zinn – werden bei niedrigen Temperaturen und Drücken zu Supraleitern. Weitere 11 chemische Elemente – darunter Selen, Silizium und Uran – gehen bei niedrigen Temperaturen und hohen Drücken in einen supraleitenden Zustand über [Quelle: Encyclopaedia Britannica ].

Bis 1986, als die IBM-Forscher Karl Alexander Mulller und Johannes Georg Bednorz das Zeitalter der Hochtemperatur-Supraleiter mit einem Barium-Lanthan-Kupferoxid einläuteten, das bei 35 K (minus 238 C, minus 397 F), dem höchsten kritischen Wert, einen Nullwiderstand erreichte Temperatur, die von einem Supraleiter erreicht wird, gemessen 23 K (minus 250 C, minus 418 F). Solche Niedertemperatur-Supraleiter erforderten eine Kühlung durch flüssiges Helium, das schwierig herzustellen war und dazu neigte, das Budget zu sprengen [Quelle: Haldar und Abetti ]. Hochtemperatur-Supraleiter bringen den Temperaturbereich auf etwa 130 K (minus 143 C, minus 226 F), was bedeutet, dass sie mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, der billig aus Luft hergestellt wird [Quelle: Mehta ].

Obwohl Physiker die Mechanismen verstehen, die Niedertemperatur-Supraleiter steuern, die dem BCS-Modell folgen, bleiben Hochtemperatur-Supraleiter rätselhaft [Quelle: CERN ]. Der heilige Gral wäre es, ein Material mit null Widerstand bei Raumtemperatur zu erreichen, aber bisher bleibt dieser Traum schwer fassbar. Vielleicht kann es nicht getan werden, oder vielleicht liegt es, wie andere wissenschaftliche Revolutionen, kurz vor dem Horizont und wartet auf die notwendige technologische oder theoretische Innovation, um den Traum Wirklichkeit werden zu lassen.

In der Zwischenzeit weisen die mächtigen Vorteile, die Supraleiter bieten, auf eine breite Palette gegenwärtiger und zukünftiger Anwendungen in den Bereichen elektrische Energie, Transport, medizinische Bildgebung und Diagnostik, Kernspinresonanz (NMR), industrielle Verarbeitung, Hochenergiephysik, drahtlose Kommunikation, Instrumentierung, Sensoren, Radar, High-End-Computing und sogar Kryotechnik [Quelle: CCAS ].

Neben den bereits erwähnten Magnetschwebebahn- , MRI- und Teilchenbeschleuniger-Anwendungen werden Supraleiter derzeit kommerziell in der NMR-Spektroskopie eingesetzt, einem Schlüsselinstrument für Biotechnologie, Genomik, pharmazeutische Forschung und materialwissenschaftliche Arbeiten. Die Industrie wendet sie auch in einem magnetischen Verfahren zum Trennen von Kaolinton an, einem üblichen Füllstoff in Papier- und Keramikprodukten.

Wenn es Forschern und Herstellern gelingt, die Beschränkungen von Supraleitern in Bezug auf Kosten, Kühlung, Zuverlässigkeit und Akzeptanz zu überwinden, sind der Zukunft keine Grenzen gesetzt. Einige sehen in grünen Technologien wie Windmühlen den nächsten Schritt zu einer breiteren Akzeptanz und Anwendung der Technologie, aber es zeichnen sich größere Möglichkeiten ab.

Wer weiß? Vielleicht liest ein zukünftiger Leser genau diesen Artikel auf einem Computer, der mit fast lichtschnellen Prozessoren ausgestattet und an ein von Fusionsreaktoren gespeistes Netz angeschlossen ist – alles dank Supraleitung.

Vive La Différence

Supraleiter haben einen spezifischen Widerstand von mehr als null; Sie bieten außerdem eine extrem hohe Strombelastbarkeit, einen außergewöhnlich niedrigen Widerstand bei hohen Frequenzen, eine sehr geringe Signaldispersion und eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit. Sie schließen extern angelegte Magnetfelder aus, zeigen ein ungewöhnliches Quantenverhalten und sind in der Lage, Signale mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu übertragen. Diese Kombination von Faktoren schreibt die Regeln für elektromagnetische Industrien effektiv neu und schlägt zahlreiche mögliche Innovationen vor, einschließlich verbesserter elektrischer Energieübertragung, -erzeugung und -speicherung; kleinere, stärkere Magnete für Motoren; modernste medizinische Geräte; verbesserte Mikrowellenkomponenten für Kommunikations- und militärische Anwendungen; stark verstärkte Sensoren; und Verwenden von Magnetfeldern, um geladene Teilchen einzuschließen.

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