Supraleitfähigkeit

Unter Supraleitfähigkeit versteht man die Eigenschaft eines Materials, das keinen elektrischen Widerstand hat. Dabei kann der Strom das supraleitende Material ohne Verlustleistung durchfließen.
Obwohl die Supraleitfähigkeit noch nicht wirklich gut erforscht ist, kann man jetzt schon eine grundlegende Eigenschaft festlegen:

  • Der elektrische Widerstand fällt unterhalb der Springtemperatur TC auf einen unmessbar kleinen Wert ab.

Erstmals machte der holländische Physiker Heike Kamerlingh-Onnes im Jahr 1911 die Entdeckung, dass Quecksilber seinen elektrischen Widerstand verliert, wenn es unter -269C gekühlt wird. Da eine solch niedrige Temperatur nur sehr schwer praktikabel herzustellen ist, war dieser Effekt verblüffend, aber nicht weiter interessant. Er widerlegte nur die bisherigen Annahmen und Theorien der Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen. Immerhin bekam er 1913 den Nobelpreis in Physik für seine Entdeckung.
1986 entdeckten die Physiker Alexander Müller und Georg Bednorz, dass bestimmte Kupferoxide bei einer Temperatur von -238C ihren elektrischen Widerstand aufgeben. Ein Jahr später wurde eine Kupferoxid-Verbindung entdeckt, die bei -180C supraleitend wurde. Man sprach in diesem Zusammenhang erstmals von Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL). Dafür bekamen die beiden IBM-Forscher 1987 den Nobelpreis in Physik.
Aufbau eines Hochtemperatursupraleiter-Kabels
Leider sind die Kupferoxid-Verbindungen spröde und deshalb sehr schwer zu verarbeiten. Für die Produktion eines Hochtemperatursupraleiter-Kabels wird das supraleitende Material auf flexible Streifen aufgebracht. Diese Streifen werden dann um einen stickstoffgekühlten hohlen Kern des Kabels gewickelt.

Erklärung des Supraleiter-Phänomens

Der Strom durch einen normalen elektrischen Leiter bzw. Kupferkabel führt zur Erwärmung des Kabels. Die Wärmeentwicklung geht vom Zusammenstoß zwischen den Elektronen aus. Dabei wird ein Teil der Energie an die Atome abgegeben, die wie ein Gitter (Kristallgitter) angeordnet sind. Im Supraleiter passiert das nicht.
Die Erklärung basiert auf der BCS-Theorie. Demnach verbinden sich die Elektronen in einem Supraleiter zu Paaren (Cooper-Paare). Dies passiert aufgrund der Deformation des Kristallgitters. Die Elektronenpaare bewegen sich im supraleitenden Zustand im Gleichtakt. Zu einem Zusammenstoß untereinander kann es so nicht mehr kommen. Entsprechend wird auch keine Energie an das Kristallgitter abgegeben. Eine Erwärmung findet nicht statt.

Anwendung der Supraleitfähigkeit

Interessant wird die Supraleitfähigkeit, wenn sich Materialien finden, die bei Zimmertemperatur supraleitend werden. Sollte es tatsächlich soweit sein, dann ließe sich dieser Effekt in der Energieversorgung und Transport, sowie der Mikroelektronik verwenden.
Die Eigenschaft eines Supraleiters in einem Magnetfeld zu schweben würde sogar die Basis für Magnetschwebebahnen bilden, die einen schnellen und günstigen Transport ermöglichen würden.

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