Bei sehr tiefen Temperaturen treten in bestimmten Materialien absonderliche Effekte auf. Ein Beispiel dafür ist die sogenannte Supraleitung. Wenn gewöhnliche elektrische Leiter von einem Strom durchflossen werden, so erwärmen sich diese aufgrund ihres elektrischen Widerstands. Bei sehr tiefen Temperaturen werden einige Materialen jedoch zum idealen Leiter ohne Widerstand.
Entdeckung
Dem holländischen Physiker Heike KAMMERLINGH ONNES (1853 - 1926) gelang in der "Tieftemperatur-Hochburg" Leiden die Verflüssigung von Helium, das bei \(1{,}14\, \rm{K}\) kondensiert. Im Jahre 1911 entdeckte KAMMERLINGH ONNES, dass eine Quecksilberprobe bei \(4{,}2\, \rm{K}\) schlagartig ihren elektrischen Widerstand verlor, also zu einem idealen Leiter wurde. In diesem Zustand führen auch sehr hohe Stromstärken nicht zu einer Erwärmung des Leiters. KAMMERLINGH ONNES bezeichnete dieses Phänomen als Supraleitung. Er bekam für seine Entdeckung den Nobelpreis für Physik 1913.
Sprungtemperatur
In der Folgezeit wurden eine Reihe von Supraleitern entdeckt. Alle verlieren bei einer kritischen Temperatur \(T_{\rm c}\) ihren elektrischen Widerstand. Diese Temperatur bezeichnet man als Sprungtemperatur.
Im Jahre 1986 entdeckten der Deutsche Georg BEDNORZ (1950) und der Schweizer Karl Alexander MÜLLER (1927 - 2023), dass der keramische Stoff \(\rm{Y\,Ba_2\,Cu_3\,O_7}\) eine relativ hohe Sprungtemperatur von \(92\, \rm{K}\) besitzt. Zum Kühlen dieser Proben reicht leicht erhältlicher und im Vergleich zu flüssigem Helium wesentlich billigerer flüssiger Stickstoff aus (Stickstoff ist bei Normaldruck bei Temperaturen unterhalb von \(77\, \rm{K}\) flüssig). Für ihre Entdeckung erhielten BEDNORZ und MÜLLER 1987 den Physiknobelpreis.
Sprungtemperaturen verschiedener Materialien
Inzwischen hat man eine Reihe von sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern gefunden, deren Sprungtemperatur \(T_{\rm c}\) deutlich oberhalb von einigen Kelvin liegt. Allerdings ist man immer noch auf der Suche nach praktikablen Werkstoffen, die einmal als energiesparender Ersatz für die heute verwendeten Kupferleitungen bei der Stromversorgung dienen könnten.
| Material | Sprungtemperatur \(T_{\rm c}\) |
|---|---|
| \(\rm{Al}\) | \(1{,}14\,\rm{K}\) |
| \(\rm{Hg}\) | \(4{,}15\,\rm{K}\) |
| \(\rm{Y\,Ba_2\,Cu_3\,O_7}\) | \(92{,}0\,\rm{K}\) |
| \(\rm{Hg\,Ba_2\,Ca_2\,Cu_3\,O_8}\) | \(133{,}0\,\rm{K}\) |
Spulen aus Supraleitern für starke Magnetfelder
Supraleiter werden häufig in Spulen eingesetzt, um durch die hohen möglichen Stromstärken sehr starke Magnetfelder zu erzeugen. Hierzu einige Beispiele:
- In Kernspintomographen (MRT), mit denen man auf eine relativ schonende Weise Einblick in das Innere eines Patienten gewinnen kann, werden supraleitende Spulen verwendet.
- In großen Teilchenbeschleunigern wie dem LHC im CERN, mit denen sich der Aufbau der Materie erforschen lässt, müssen die extrem schnellen geladenen Teilchen durch starke Magnetfelder auf Kreisbahnen gehalten werden. Diese Magnetfelder werden durch supraleitende Spulen erzeugt.
- Bei sogenannten Fusionsexperimenten wie im ITER möchte man auf der Erde den Prozess der Energiegewinnung wie er auf der Sonne abläuft nachbilden. Die dazu benötigten extrem starken Magnetfelder werden durch supraleitende Spulen erzeugt.
Supraleiter schweben über Magneten
Supraleitende Körper zeigen eine weitere besonders interessante Eigenschaft: Bringt man unter den im supraleitenden Zustand befindlichen Körper einen Magneten, so schwebt der Supraleiter. Dieses Verhalten basiert auf dem Meißner-Ochsenfeld-Effekt (warum ganau das so ist, wirst du in einer höheren Klasse verstehen können). Man denkt daran, mit schwebenden Supraleitern einmal nahezu reibungsfreie Lager oder Züge zu bauen.
Falls du dich für die Herstellung eines YBCO-Supraleiters interessierst, findest du hier ein Protokoll zur Herstellung eines Supraleiters mit Schulmitteln.