Supraleiter und supraleitende Materialien sind Metalle, Keramiken, organische Materialien oder stark dotierte Halbleiter, die Elektrizität ohne Widerstand leiten.
Supraleitende Materialien können Elektronen ohne Widerstand transportieren und geben daher keine Wärme, keinen Schall oder andere Energieformen ab. Supraleitfähigkeit tritt bei der kritischen Temperatur (Tc) eines bestimmten Materials auf. Wenn die Temperatur sinkt, nimmt der Widerstand eines supraleitenden Materials allmählich ab, bis es die kritische Temperatur erreicht. An diesem Punkt fällt der Widerstand ab, oft auf Null, wie in der Grafik rechts dargestellt.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt müssen die meisten Materialien durch niedrige Temperaturen und/oder hohe Drücke einen extrem niedrigen Energiezustand erreichen, um Supraleitung zu erreichen. Forschungssupraleiter, die bei höheren Temperaturen wirksam sind, befinden sich zwar in der Entwicklung, aber Supraleitung ist in der Regel nur mit teuren, ineffizienten Kühlprozessen möglich.
Supraleiter weisen neben ihrer Fähigkeit, Strom perfekt zu leiten, noch weitere einzigartige Eigenschaften auf. Zum Beispiel stoßen viele von ihnen beim Übergang in den supraleitenden Zustand Magnetfelder aus. Dies ist auf den Meissner-Effekt zurückzuführen, durch den supraleitende Materialien bei Tc elektrische Ströme in der Nähe ihrer Oberfläche aufbauen und so die Felder im Material selbst aufheben. Ein stationärer Magnet auf einem Supraleiter demonstriert diesen Effekt: Wenn der Supraleiter durch seine kritische Temperatur abkühlt, bewirkt der Ausstoß des magnetischen Flusses aus dem Leiter, dass der Magnet über dem Material schwebt.
Der Meissner-Effekt: der magnetische Fluss eines Supraleiters oberhalb (links) und unterhalb der kritischen Temperatur.
Grundsätze
Die Prinzipien der Supraleitung lassen sich durch die Untersuchung verschiedener Formeln erklären. Erstens kann der fehlende Widerstand in einem stromführenden Supraleiter durch das Ohmsche Gesetz, R=V/I, veranschaulicht werden, wobei R der Widerstand, V die Spannung und I der Strom ist. Da supraleitende Materialien Strom ohne angelegte Spannung leiten, ist R=0. Supraleitung bedeutet auch keinen Leistungsverlust, da die Leistung als P=I2R definiert ist; da R in einem supraleitenden Material gleich Null ist, ist auch der Leistungsverlust gleich Null.
Diese Formeln werden zusammen mit anderen Supraleiterprinzipien in dem folgenden Lehrvideo erklärt.
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Typen
Supraleiter werden in Typ-I- und Typ-II-Materialien eingeteilt.
Typ-I-Materialien zeigen zumindest eine gewisse Leitfähigkeit bei Umgebungstemperatur und umfassen meist reine Metalle und Metalloide. Sie haben niedrige kritische Temperaturen, typischerweise zwischen 0 und 10 K (-273°C bzw. -263°C). Wie bereits erwähnt, kommt es bei diesem Typ zu einer plötzlichen Abnahme des Widerstands sowie zum vollständigen Ausschluss magnetischer Felder (vollkommen diamagnetisch) bei kritischer Temperatur.
Typ-I-Metalle erreichen Supraleitung durch Verlangsamung der molekularen Aktivität über niedrige Temperaturen. Nach der BCS-Theorie wird dadurch eine Umgebung geschaffen, die der Cooper-Paarung förderlich ist, so dass Elektronenpaare molekulare Hindernisse überwinden können, was zu einem freien Elektronenfluss ohne angelegte Spannung führt.
Kupfer, Silber und Gold sind drei der besten metallischen Leiter, aber nicht supraleitend. Dies liegt an der Gitterstruktur ihrer kubisch-flächenzentrierten (FCC) Einheitszellen, die so dicht gepackt sind, dass die für die Supraleitung erforderlichen Gitterschwingungen bei niedrigen Temperaturen freie Elektronen nicht in Cooper-Paare umwandeln können. Einige FCC-Metalle wie Blei sind zwar zur Supraleitung fähig, doch ist dies auf äußere Faktoren wie den niedrigen Elastizitätsmodul von Blei zurückzuführen.
Die meisten Typ-II-Materialien sind metallische Verbindungen oder Legierungen, aber auch elementares Vanadium, Technetium und Niob fallen in diese Gruppe. Sie sind in der Lage, bei viel höheren kritischen Temperaturen supraleitend zu sein. So ergab die 2015 durchgeführte Prüfung von Sn8SbTe4Ba2MnCu14O28+ einen Tc-Wert von 400 K (+129 °C), der über 100 °C über der Umgebungstemperatur liegt, obwohl häufigere Materialien vom Typ II kritische Temperaturen im Bereich von 10-130 K aufweisen. Seit 2015 gibt es keinen wissenschaftlichen Konsens über den Grund für diese höheren kritischen Temperaturen.
Typ-II-Materialien nehmen auch einen gemischten Zustand an, der im Gegensatz zum abfallenden Widerstand bei Tc für Typ-I-Materialien steht, wenn sie sich ihrer kritischen Temperatur nähern. Gemischte Zustände werden dadurch verursacht, dass Supraleiter vom Typ II die Magnetfelder nie vollständig abbauen, so dass mikroskopische supraleitende „Streifen“ auf dem Material zu sehen sind.
Sonstige Klassifizierungen
Die Klassifizierung nach den oben genannten Typen erfolgt theoretisch durch das Magnetfeldverhalten. Materialien des Typs I haben eine einzige kritische Feldtemperatur, oberhalb derer die Supraleitung vollständig aufhört, während Materialien des Typs II zwei kritische Feldpunkte haben, zwischen denen ein gemischter Zustand existieren kann. Eine weitere Methode zur Klassifizierung von Supraleitern ist die Einteilung nach der Temperatur, wobei „Niedrigtemperatur“-Materialien unter die mit flüssigem Stickstoff gekühlte Supraleitung fallen und „Hochtemperatur“-Materialien darüber liegen. Niedertemperaturmaterialien können mit Flüssiggasen wie Neon, Wasserstoff und Helium gekühlt werden.
Eine umfassende Liste der kritischen Temperaturen für supraleitende Materialien finden Sie hier für Typ I und hier für Typ II.
Das nachstehende Diagramm veranschaulicht diese Unterscheidung sowie eine Zeitleiste, die die Geschichte der Entdeckungen kritischer Temperaturen zeigt. Materialien, deren kritische Temperatur über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (etwa 77 K) liegt, werden als Hochtemperaturmaterialien bezeichnet. Der dramatische Anstieg der Tc in der Mitte des Diagramms ist das Ergebnis der Entdeckung von supraleitenden Cupraten und Perowskiten mit hoher Tc in den Jahren 1986 und 1987.
Produktformfaktoren
Lieferanten von Supraleitern und supraleitenden Materialien bieten Produkte in verschiedenen Formen an, von denen einige unten aufgeführt sind.
Rohsupraleitende Materialien umfassen chemische Verbindungen in Form von Pulvern oder Kristallen. Supraleitendes Pulver wird bei der Herstellung von effizienteren Brennstoffzellen, Gastrennmembranen und Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt.
Magnete werden für MAGLEV- und MRT-Anwendungen hergestellt, wie unten beschrieben, sowie für Mikroskopie und NMR/EPR-Spektroskopie.
Drähte und Kabel werden für die supraleitende Energieübertragung und die wissenschaftliche Forschung in ultrahohen Magnetfeldern verwendet.
Supraleiterhersteller können sich auf die Weiterentwicklung einer bestimmten supraleitenden Verbindung spezialisieren, z. B. auf Niob basierende Formeln oder Magnesiumdiborid (MgB2).
Anwendungen
Supraleiter sind aufgrund der umfangreichen Kühlung, die zum Erreichen supraleitender Zustände erforderlich ist, nicht in großem Umfang kommerziell verfügbar. Sie sind in einigen wenigen Spezialanwendungen üblich, darunter:
MAGLEV-Züge verwenden supraleitende Magnete, um die Reibung zwischen dem Zug und den Gleisen praktisch zu eliminieren. Die Verwendung herkömmlicher Elektromagnete würde große Mengen an Energie durch Wärmeverluste verschwenden und die Verwendung eines unhandlichen Magneten erforderlich machen, während Supraleiter zu einer höheren Effizienz und kleineren Magneten führen.
Die Magnetresonanztomographie (MRT) nutzt supraleitererzeugte Magnetfelder, um mit Wasserstoffatomen und Fettmolekülen im menschlichen Körper in Wechselwirkung zu treten. Diese Atome und Moleküle setzen dann Energie frei, die erkannt und in ein grafisches Bild umgewandelt wird. Die MRT ist eine weit verbreitete radiografische Methode für die medizinische Diagnose oder die Stadieneinteilung von Krankheiten wie Krebs.
Elektrische Generatoren, die mit supraleitenden Drähten gebaut werden, haben in experimentellen Tests einen Wirkungsgrad von 99 % erreicht, müssen aber noch kommerziell gebaut werden.
Die Stromerzeugung mit supraleitenden Kabeln und Transformatoren wurde experimentell getestet und demonstriert.
Normen
Viele veröffentlichte Normen und Handbücher befassen sich mit Supraleitung und Supraleitern. Beispiele sind:
- BS EN 61788-Supraleitung (Reihe)
- IET-Electrodynamic theory of superconductors
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials