Wie leiten Supraleiter Elektrizität? Erfahren Sie, wie Supraleiter ohne Widerstand Strom transportieren und welche Anwendungen dies ermöglicht.
Wie leiten Supraleiter Elektrizität?
Supraleiter sind außergewöhnliche Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten können. Diese faszinierende Eigenschaft wurde erstmals 1911 vom niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Seitdem haben Supraleiter großen Einfluss auf viele Bereiche der Wissenschaft und Technik. Aber wie genau leiten Supraleiter Elektrizität? In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die grundlegenden Prinzipien hinter der Supraleitung.
Die Theorie der Supraleitung
Die Erklärung für die Supraleitung liegt in der sogenannten BCS-Theorie, benannt nach ihren Entwicklern John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer. Diese Theorie wurde 1957 vorgestellt und beschreibt, wie Elektronen bei sehr niedrigen Temperaturen Paare bilden, die als Cooper-Paare bekannt sind.
- Elektronen, die normalerweise als Fermionen fungieren und dem Pauli-Ausschlussprinzip unterliegen, können bei sehr tiefen Temperaturen durch Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter des Materials Paare bilden.
- Diese Cooper-Paare verhalten sich wie Bosonen, die nicht dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen und daher im selben Quantenzustand existieren können.
- Durch diese Paarbildung können die Elektronen ohne Widerstand durch das Material fließen.
Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt
Ein weiteres wichtiges Phänomen der Supraleitung ist der Meißner-Ochsenfeld-Effekt. Dieser Effekt beschreibt, wie ein Supraleiter beim Übergang in den supraleitenden Zustand das gesamte Magnetfeld aus seinem Inneren verdrängt.
- Wird ein Magnetfeld auf einen Supraleiter angewendet, erzeugt dieser einen entgegengesetzten magnetischen Fluss, um das äußere Feld vollständig zu kompensieren.
- Dies führt dazu, dass der Supraleiter diamagnetisch wird, d.h., er weist das angelegte Magnetfeld vollständig ab.
Technische Anwendungen von Supraleitern
Die Fähigkeit von Supraleitern, Elektrizität ohne Widerstand zu leiten, hat zu vielen spannenden Anwendungen geführt:
- Magnetresonanztomographie (MRT): In der medizinischen Bildgebung werden starke supraleitende Magneten verwendet, um detaillierte Bilder des Inneren des Körpers zu erzeugen.
- Teilchenbeschleuniger: Supraleitende Magneten spielen auch eine Schlüsselrolle in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC).
- Energiespeicherung: Supraleitende Spulen können enorme Mengen an Energie ohne Verluste speichern, was für Anwendungen in der Energiespeicherung und -verteilung vielversprechend ist.
Zusammenfassung
Supraleiter bieten faszinierende Möglichkeiten in der Welt der Physik und Technik. Ihre Fähigkeit, Elektrizität ohne Widerstand zu leiten und magnetische Felder abzuwehren, hat zu Anwendungen in der Medizin, Teilchenphysik und Energietechnik geführt. Die Entdeckung und das Verständnis der Cooper-Paare sowie des Meißner-Ochsenfeld-Effekts haben unser Wissen über Materie und Elektrizität erheblich erweitert.
Falls Sie mehr über dieses spannende Thema erfahren möchten, lohnt es sich, tiefer in die BCS-Theorie und die aktuellen Forschungsergebnisse zur Supraleitung einzutauchen.
