100 Jahre Supraleitung

Supraleitung: 100 Jahre Geschichte :Wo sind die Anwendungen?29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 1

InhaltEinführung in die Supraleitung• Geschichte• Supraleiter 1. Art• Supraleiter 2. ArtAnwendungen• Supraleitende Spulen• Supraleitung in der Medizin• Magnetschwebebahn• Strom: Transport und Speicherung• Supraleitende Motoren und Generatoren• SQUID• BOLOMETER29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 2

Teil 1EINFÜHRUNG IN DIE SUPRALEITUNG29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 3

1. Kurzum: Was ist Supraleitung?• Supraleitung ist ein bei mehreren Metallen und Keramiken beobachtbares Phänomen.• Abkühlung dieser Materialien aufTemperaturen zwischen Nahe desabsoluten Nullpunktes (0 GradKelvin, -273 Grad Celsius) und derTemperatur des flüssigenStickstoffs (77 K, -196 C)Ihr elektrischerWiderstand sinktmit einem Sprungauf Null.• Keinen Widerstand für Durchgang von elektrischem Strom• Die Temperatur, bei der der elektrische Widerstand Null ist, wird als kritischeTemperatur (T c ) bezeichnet.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 4

1. Kurzum: Was ist Supraleitung?• Die kritische Temperatur ist eineEigenschaft des Materials, wie esin der folgenden Tabelledargestellt ist:Material Typ T c (K)Zink Metall 0,88Aluminium Metall 1,19Zinn Metall 3,72Merkur Metall 4,15YBa 2 Cu 3 O 7 Keramik 90TlBaCaCuO Keramik 125• Die Tabelle zeigt eine klare Trennung zwischen den niedrigen und Hochtemperatur-Supraleitern.• Die Kühlung der Materialien erfolgt mittels flüssigem Stickstoff• Für noch niedrige Temperaturen mit flüssigem Helium29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 5

1. Kurzum: Was ist Supraleitung?Bekannte Supraleiter (unter hohen bzw. normalen Druck)• Supraleitung beitiefen Temperaturenist gut verstanden(BCS-Modell)• Noch gibt es keineeindeutige Erklärungder Supraleitung bei"hohenTemperaturen".29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 6

2. Kurzum: Geschichte der Supraleitung1911• Entdeckung durch den niederländischen Physiker HeikeKamerlingh Onnes• Abkühlen mit flüssigem Helium auf 4,0 K ElektrischerWiderstand von Quecksilber sinkt sprunghaft auf Null1933• 1933: Meißner-Ochsenfeld Effekt wurde zum ersten Malbeobachtet1950• Ende der 1950er Jahre: eine funktionierendequantenmechanische Theorie der Supraleitung von JohnBardeen, Leon Cooper und John Schrieffer (BCS-Modell)29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 7

2. Geschichte der Supraleitung• 1986: Entdeckung einer neuen Klasse von Supraleitern mit besondershohen Sprungtemperaturen – vor allem Keramiken.• In den Laboren von IBM- Zürich- (Müller und Bednorz)1988:Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 mit110 K Sprungtemperatur1987:YBa 2 Cu 3 O 7 mit 93 KSprungtemperaturRekord seit 2000:Sprungtemperatur von138 K29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 8

Teil 2SUPRALEITER 1. & 2. ART29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 9

2.1. Supraleiter 1. Art: Meißner-EffektDie schwarzen Pfeile stellen das externe Magnetfeld imNormalleiterfeld dar (noch nicht abgekühlt).Nach dem Abkühlen, also im supraleitenden Zustand, erzeugen dieseLinien kreisende Ströme auf der Oberfläche der Probe (rot), die ohneWiderstand in Kreisen laufen. Ströme auf der Oberfläche des Supraleiters (in rot) angezeigt. DieseStröme erzeugen ein induziertes Magnetfeld(das angelegte Magnetfeld wird in der Abbildung nicht gezeigt).Das gesamte Magnetfeld ist die Summe des angelegten Feldesund des induzierten Feldes. In dem Volumen des Supraleiters: dasMagnetfeld ist Null.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 10

2.1. Supraleiter 1. Art: Meißner-Effekt• Levitation eines Magneten über einerBlei-Schüssel• Eine wahre Meissner Levitation• Blei ist ein Typ-I-Supraleiter unterhalbeiner Temperatur von 7,2 K• Die konkave Form des Supraleiterssichert die Stabilität der Levitation undverhindert, dass der Magnet auf dieSeite gleitet.• Blei ist ein perfekter Diamagnet(Magnetfeld wird zu Null „gedämpft“)29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 11

2.1. Supraleiter 1. Art: Meißner-Effekt29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 12

2.2. Supraleiter 1. Art: Nachweis der Supraleitung• Nachweis von supraleitenden Zuständen über Verschwinden desWiderstandes kann manchmal in die Irre führen: Der Fall des Widerstandes ist nicht immer ideal steil („dirty“Supraleiter). Ein Kurzschluss kann sogar als Verschwinden des Widerstandeswahrgenommen werden.• ALTERNATIVE:Der supraleitende Zustand wird oft über die magnetische Eigenschaftnachgewiesen und nicht über das Verschwinden des elektrischenWiderstands (R=0)29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 13

2.3. Supraleiter 1. Art: Kritische Feldstärke H c• Wenn das Magnetfeld zu verdrängen zu groß ist, kann das System dienotwendigen Supraströme nicht erzeugen. Supraleitung bricht zusammen. Probe wird einfach Metall• Die Existenz von Supraleitung hängt sowohl von dem Wert derTemperatur und des Magnetfeldes ab.• Alle Supraleiter 1. Art zeigen einen vollständigen Meißner-Ochsenfeld-Effekt, solange das von außen angelegte Magnetfeld unterhalbeiner kritischen Feldstärke H c bleibt29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 14

2.4. Supraleiter 2. Art:• Manche Materialien sind keine perfekten Diamagneten.• Diese Materialien zeigen oberhalb einer kritischen Feldstärke H c1 nurnoch einen unvollständigen Meißner-Effekt.• Verhalten sich aber immer noch wie „normale“ Supraleiter.• Diese Materielien werden Supraleiter zweiter Art genannt.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 15

2.5. Supraleiter 2. Art: Vortex/ Flussschläuche• Ein magnetisches Feld wird angelegt(schwarz dargestellt).• Supraleitende Ströme (rot) entstehen auf derOberfläche der abgeschirmten Bereich:Diese Ströme sind für den „Meissner-Effekt“verantwortlich.• Weitere supraleitende Ströme (grün), induzierenden Wirbel.• Wirbel/ Flussschlauch: eine Art "Tunnel", durch denein Teil des angelegten starken Magnetfeldes diesupraleitende Probe durchläuft.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 16

Teil 3SUPRALEITENDE SPULEN29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 17

3.1. Supraleitende Spulen:• Die Magnete erzeugen Magnetfelder, die hochsein können, aber fallen schnell mitsteigendem Abstand ab.• Für ein hohes Magnetfeld auf einem großenVolumen, werden stattdessen Elektromagneteeingesetzt.• D.h. eine Drahtspule, in denen ein elektrischerStrom fließt. Die Strom-Schleife erzeugt einMagnetfeld senkrecht auf den Abschnitt derSpule, in ihrem gesamten Volumen• Der Strom im Kreis erzeugt ein auf demAbschnitt der Spule senkrechtes Magnetfeld inihrem gesamten Volumen29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 18

3.1. Supraleitende Spulen:• Um jeden stromdurchflossenen Leiterbildet sich ein Magnetfeld Elektromagnetismus• Bewegte Ladungen (Strom) sind die Ursachedes Elektromagnetismus.• Eine stromdurchflossene Drahtwicklung induziert ein konstantesMagnetfeld entlang ihrer axialen Achse• Für lange Zylinderspulen (L>>R) hat die magnetische Flussdichte innerhalbder Spule auf der Achse den näherungsweise konstanten Wert:29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 19

3.1. Supraleitende Spulen:• Höhere Magnetfelder werden mit einem höheren elektrischen Strom erreicht.• Strom Widerstand Erwärmung• Für einen sehr hohen Strom schmilzt der Draht der Spule oder brennt.• Um dieses Problem zu vermeiden:i. Kühlung des Drahtes mit Wasser (sehr teuer z.B. Bitter-Elektromagnet)ii. Verwendung eines supraleitenden Drahtes, der keinen Widerstandund daher keine Erwärmung aufweist• Anwendung in kommerziellen Produkten oder Forschungsprojekten : Kernspin-Tomographen Partikelbeschleuniger Fusionsreaktoren Labor-Magnete29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 20

3.1. Supraleitende Spulen:• Magnetische Felder bis etwa 20 Tesla (Nb 3 Sn)(1 Tesla ist etwa 20.000-fachen des Erdmagnetfeldes)• Spulen von mehreren Tausenden Windungen supraleitender Drähte in flüssigesHelium getaucht.• Drähte oft aus Legierungen aus Niob und Titan (NbTi) oder Niob-Zinn (Nb 3 Sn)– Bei Temperaturen unterhalb von 9,5 K ist Niob- Titan ein Supraleiter vomTyp II– Nb 3 Sn, ebenfalls Supraleiter vom Typ II, hat dieSprungtemperatur von 18,05 K• Rekord mit HTS 26,8 T.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 21

Teil 4MAGNETRESONANZTOMOGRAPHIE29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 22

4.1. MRT:Die größte undwichtigsteKomponente ist einsupraleitenderMagnetDrei Gradienten-Magnetenn eineStärke von 180 bis270 Gauss. StabilesMagnetfeld von 0,5Tesla bis 2,0 Tesla umden Patienten ein variables Feldzum Scannenverschiedener Teiledes KörpersEin sehr mächtigesComputersystemzur Bilderzeugung(Imaging)Reihe von Spulen, diehochfrequenteWellen in den Körperübertragen29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 23

4.3. MRT:Atomkerne haben eine zufälligeSpinrichtung, um die eigene Achse Atome gehen in verschiedeneRichtungenFür die Zwecke einerMRT-Untersuchung: NurWasserstoffatomeinteressantIn einem Magnetfeld: Atomeordnen sich in der Richtung desFeldesEtwa die Hälfte zeigenin jede Richtung dieüberwiegende Mehrzahlder Protonen hebensich gegenseitig auf .Die MRT Maschine sendeteine Radiofrequenz (Wasserstoffspezifisch). Dies ist der "Resonanz"Teil der MRTUnübertroffeneProtonen absorbierendie Energie und spinnenwieder in eine andereRichtung.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 24

4.3. MRT:Ausschaltung des HF-Pulses Wasserstoff-Protonen gewinnenlangsam ihre natürlicheAusrichtungH-Protonen lassen dieabsorbierte Energiewieder freiH-Protonen lassen die absorbierteEnergie wieder frei Signal zumComputer-SystemSignal wird vearbeitetund Bild wird erstellt• Die drei Gradienten-Magnete sind in einer bestimmten Weise angeordnet, dass sie dasHauptmagnetfeld auf lokaler Ebene verändern können.• Was dies bedeutet ist, dass Ärzte genau den ​Bereich, von welchem ein Bild gebraucht wird,holen können.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 25

Teil 5MAGNETSCHWEBEBAHN29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 26

5.1. Magnetschwebebahn:Die größten Unterschiede zu konvontionellenZügen:• Es gibt keinen Kontakt zur „Schiene“ Null Roll-Reibung• Kein konventioneller AntriebDer Motor für Magnetschwebebahnen ist eherunauffällig.Anstelle der Verwendung von fossilenBrennstoffen wird der Zug von dem Magnetfeldder elektrischen Spulen in den Fahrwegwändenund der Strecke bewegt.• Schnellster Zug der Welt mit einerGeschwindigkeit von 581 Kmh (Boeing-777 bis 905 kmh)29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 27

5.2. Magnetschwebebahn:Spulen aus konventionellenSupraleitern auf den Seiten desWagens (jeweils vier). DieSpulen sind auf sich selbstgeschlossen, und sie erzeugenein konstantes Magnetfeld.Anhaltende Ströme inder Größenordnungvon 700.000 Ampere Magnetfeld von fast5 TeslaZwei Arten von SpulenEntlang der Spur:i. Antrieb-Spulenii. Levitation-SpulenDiese Spulen sind einfachmetallisch• Die Antriebsspulensind aktiv : siemüssen ständig zueiner Energiequelleverbunden werden.• Levitation-Spulenvöllig passiv29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 28

5.3. Magnetschwebebahn:• Wechselnder Strom in den Antriebsspulen Polarität des magnetisierten Spulen ändern sichmit gleicher Frequenz.• Diese Änderung der Polarität bewirkt, dass das Magnetfeld vor dem Zug das Fahrzeug nachvorne zieht, während das magnetische Feld hinter dem Zug noch mehr Schub ausübt.• Um zu bremsen einfach den Strom umkehren. Druckluftbremsen erlauben eine Bremsungohne Energie zu verbrauchen• Schweben zwischen 1 und 10 cm über dem Fahrweg.• Die Levitation erfordert keine Energie, einmal der Zug in Bewegung (erst ab ca. 100 kmh).• Maglev schneller Magnetfeld geht schneller durch die Levitation-Spulen induzierteStröme größer bessere Levitation. (WirbelStröme)• Wenn der Maglev langsam, oder wenn er stationär ist, werden die induzierten Ströme zuschwach, um die Levitation zu sichern.• Die "Räder der Landung„ kommen zu Einsatz. In gewisser Weise ist der Maglev mehr wie einFlugzeug, als ein Zug!29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 29

Teil 6SUPRALEITENDE GENERATOREN & MOTOREN29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 30

6.1. Supraleitende Motoren und Generatoren:• Generator: mechanische Energie Drehstrom• Motor: Drehstrom mechanische Energie• Drehstrommotoren werden mitDreiphasenwechselstrom bzw.„Drehstrom“ betrieben.• 3 Elektromagnet-Spulen werdem auf einem Kreis um jeweils 120° versetztund mit einer periodischen wechselnden Spannung, deren zeitlicheAbläufe gegenüber den anderen beiden Leiterspannungen auch um 120°vor- bzw. nachlaufend versetzt sind.• In jeder Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen zeitlicher Ablaufgenauso wie der Spannungsverlauf gegenüber den anderen Spulenfeldernum eine Drittelperiode versetzt ist.• Summiertes Magnetfeld mit konstantem Betragaber sich ändernde Richtung Rotationsbewegung29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 31

6.2. Supraleitende Motoren und Generatoren:Formeln:• P el =P mech /ŋ• P el =√3*U*I*cos(φ)wobei P mech : Nennleistung P el : Elektrische Leistung ŋ: Wirkungsgrad U: Außenleiterspannung I: Außenleiterstrom Cos(φ): Leistungsfaktor(Die Formeln sind für Stern- und Dreiecksschaltung gültig)29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 32

6.3. Supraleitende Motoren und Generatoren für Schiffe:• Hohe elektrische Ströme in den Spulen erzeugen das Magnetfeld für denAntrieb Erwärmung wegen der sehr hohen Ströme• Im Gegensatz zu einer ungekühlten Leitung, könnte bei gleicherStrombelastung eine supraleitende Spule einen etwa hundertmalkleineren Querschnitt haben, ohne dass sie verglüht.• Ideal für Elektromotoren, wenn die Spulen supraleitend sind.• Bei gleicher Leistung reduzieren sich Gewicht und Größe supraleitenderElektromotoren um fast die Hälfte Ideal für Einsatz auf Schiffenbeispielsweise.• Elektromotoren haben besonders dort Vorteile,wo der Platz knapp ist.• Besonders klein bei entsprechenderLeistung sind supraleitende Motoren.• Wirkungsgrad steigt auf 98%29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 33

6.4. Supraleitende Motoren und Generatoren für Schiffe:• Drähte aus HTS-Keramik für die Wicklungen des Rotors statt Kupfer.• Das HTS-Material kann im tiefgekühlten Zustand deutlich mehr Stromaufnehmen. Das Ergebnis:– Gewicht und Volumen betragen nur etwa 70 % der Wertegewöhnlicher Maschinen.– Energieverluste halbiert .– Wirkungsgrad verbessert.Künftig:• Jachten werden schlanker Wasserwiderstand deutlich geringer.• Der elektrische Antrieb ist viel ruhigerals der tuckernde Diesel.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 34

Teil 7WEITERE ANWENDUNGEN DER SUPRALEITUNG29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 35

7.1. Strom: Transport und Speicherung• konventionelle elektrischeLeitungen können nurbegrenzte Ströme tragen.• Supraleitende Kabelnwürden dieses Problemlösen 10.000 Mal mehrStrom kann zirkulieren• Ein solchesNetzwerk ist nochnicht profitabel• Prototypen vonsupraleitendenKabeln über kurzeDistanzen• Eine supraleitende Spule,die auf sich selbstgeschlossen ist.• Der Strom in der Spulebleibt auf unbestimmteZeit erhalten, weil esabsolut keine Verlust anEnergie gibt.• Strom kann jedeZeit abgerufenwerden• Vor allem in sehrkurze Zeit, imGegensatz zuherkömmlichenBatterien29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 36

7.1. SQUID• Ein SQUID ist ein Sensor zur sehr präzisen Messungextrem geringer MagnetfeldänderungenMedizin• Messung von Magnetfeldern, die aus Strömen im menschlichen Körperenstehen, z. B. Gehirnströmen oder Herzströmen.• Detektion von Kernspinresonanzen in niedrigen MagnetfeldernGeologie• Ermittelung feiner Änderungen des Erdmagnetfeldes an der Oberfläche.• Entdeckung unterirdischer StrukturenMaterial-Prüfung• Einsetzung zur zurzerstörungsfreier Materialprüfung29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 37

7.2. Bolometer• Ein Strahlungssensor, der in Form von elektromagnetischer Strahlung dieabgestrahlte Energie im gesamten Wellenlängenspektrum detektiert, meist überdie durch Absorption stattfindende Erwärmung.• Die durch die elektromagnetische Strahlung hervorgerufene Wärmewirkung(Wärmestrahlung) verändert den ohmschen Widerstand des Sensors• Widerstand wird mit einer anliegenden elektrischen Spannung undeinem Strommessgerät angezeigt.• Rückschlüsse auf die Leistungsdichte der gemessenen Strahlung erlaubt.29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 38

RückblickEinführung in die Supraleitung• Geschichte• Supraleiter 1. Art• Supraleiter 2. ArtAnwendungen• Supraleitende Spulen• Supraleitung in der Medizin• Magnetschwebebahn• Strom: Transport und Speicherung• Supraleitende Motoren und Generatoren• SQUID• BOLOMETER29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 39

Bilderverzeichnis• http://benjamin.stangl-taller.at/SCHULE/PHYSIK/SUPRALEITUNG/default.html• http://www.siemens.com/innovation/pool/en/publikationen/publications_pof/pof_fall_2005/digital_health/mr_imaging/7tesla1_1332256.jpg• http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/accelerators/superconductivity/tc_graph.gif• http://static.howstuffworks.com/gif/mri-illustration.jpg• http://static.howstuffworks.com/gif/mri-steps.jpg• http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image019.jpg• http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image021.png• http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image022.png• http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Simpel-3-fasetgenerator.gif&filetimestamp=20090529180604• http://www.amsc.com/images/ONR_motor-comp_CMYK_300_WEB.jpg• http://www.supraconductivite.fr/media/images/Applications/image003.jpg• http://www.supraconductivite.fr/media/images/widgets/applications-electricite-smes.jpg• http://www.supraconductivite.fr/media/images/widgets/applications-squid-more.jpg• http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php#applications-bolometre-more29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 40

Quellen• http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php• http://teachers.web.cern.ch/teachers/archiv/HST2001/accelerators/superconductivity/superconductivity.htm• http://www.msm.cam.ac.uk/ascg/lectures/• http://science.howstuffworks.com/mri2.htm• http://de.wikipedia.org/wiki/Dreiphasenwechselstrom• http://www.amsc.com/index.html29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 41

VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT29.09.2011 Eskander Kebsi | FerienAkademie 2011 42