Unter Supraleitung versteht man das nahezu vollständige Verschwinden des elektrischen W iderstands einer Probe unterhalt einer bestimmten Temperatur (= Sprungtemperatur TC). Demzufolge verheizt ein Supraleiter nahezu keine elektrische Energie und ist dadurch hochbegehrt. Das Problem ist, dass diese Sprungtemperaturen in der Regel sehr tief liegen, bei –200 °C und kälter. Daher ist es technisch und energetisch sehr aufwendig, Supraleiter in den supraleitenden Zustand zu versetzen. Bei Magnetresonanztomografen kommen Supraleiter allerdings zum Einsatz, denn dort fließen extrem hohe Ströme, welche mit normalen Leitern zu massiven Verlusten führen würden.
In den letzten Jahrzehnten versuchten Physiker und Chemiker laufend neue Supraleiter zu erzeugen mit immer höherer Sprungtemperatur. BSCCO (konkret Bi-2223) besitzt etwa eine sehr hohe Sprungtemperatur von immerhin 110 K = – 163 °C. Damit bringt man es bereits mit flüssigen Stickstoff (Siedetemperatur 77 K = – 196 °C) in den supraleitenden Zustand.
Genau einen solchen Supraleiter habe ich sehr günstig auf Ebay erworben, konkret zwei kleine Stücke um nur 46 Euro inkl. Versand. Da konnte ich einfach nicht widerstehen 😉
Den flüssigen Stickstoff besorge ich bei der bekannten Firma Linde, welche zum Glück in Graz eine Niederlassung hat. Transportiert wird flüssiger Stickstoff in einem sog. Dewargefäß. Das ist ein zweiwandiges Gefäß mit Vakuum im Zwischenraum und verspiegelten Flächen. Dieses isoliert sehr gut die Wärme und gestattet es, so kalte Flüssigkeiten über eine längere Zeit flüssig zu halten. Auf Kleinanzeigen bin ich fündig geworden. Das sehr günstige Dewargefäß hat mich inkl. Versand lediglich 36 Euro gekostet.
Denkt man an Supraleiter, so fallen einem wohl gleich die Bilder ein, wo ein Magnet über einen Supraleiter oder ein Supraleiter über einem Magneten schwebt.
Bildquelle: Wikipedia
Der Grund dafür ist der sog. Meißner-Ochsenfeld-Effekt. Darunter versteht man die Eigenschaft von Supraleitern, in der Meißner-Phase (Supraleiter 1. Art) ein von außen angelegtes magnetisches Feld vollständig aus ihrem Inneren zu verdrängen. Der Supraleiter zeigt sich also nicht nur als idealer Leiter mit ρ ≈ 0, sondern darüber hinaus auch als idealer Diamagnet mit μr = 0, denn das äußere Magnetfeld wird auf das abolute Minimum, nämlich 0, abgeschwächt.
Dieser Effekt wurde 1933 von Walther Meißner (1882 – 1974) und Robert Ochsenfeld (1901 – 1993) entdeckt und ist durch klassische Physik nicht erklärbar!
Bildquelle: Wikipedia
Ich werde versuchen, den mit flüssigen Stickstoff abgekühlten Supraleiter über einem Magneten schweben zu lassen. Als Magnete kommen diese hier zum Einsatz:
Zum Abkühlen des Supraleiters verwende ich eine mit flüssigen Stickstoff gefüllte Mulde in einem Hartschaumblock:
ChatGPT hat mir gesagt, dass ein Halbach-Array als „Unterlage“ für den schwebenden Supraleiter besser geeignet sei, als ein einzelner großer Magnet. Ich werde es daher mit meinen kleinen Neodym-Würfelmagneten probieren:
Ich möchte ja den Widerstand R des Supraleiters in Abhängigkeit von der Temperatur T messen. Zur Messung von R verwende ich eine Vierleitermessung. Dabei fließt ein konstanter, gegebener Strom (in meinem Fall 1 mA) durch den Supraleiter und ich messe mit einem Voltmeter den Spannungsabfall U. Daraus folgt dann für den Widerstand R = U / I = U / 1 mA ≡ U · 1000. Der Spannungsabfall in mV entspricht also genau dem Widerstand in Ohm, sprich 1 mV ≡ 1 Ω.
Die Konstantstromquelle realisiere ich mit einem LM317:
Die Temperatur erfasse ich mit meinem Digitalthermometer, welches laut Beschreibung bis – 200°C messen sollte, mal schauen:
Den Temperatursensor habe ich mit Wärmeleitkleber auf den Supraleiter geklebt:
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