Leider unterstützen wir Internet Explorer nicht mehr.

Bitte verwenden Sie Microsoft Edge, Google Chrome oder Firefox.

>
Ratgeber-Übersicht
>
Supraleitungen: die Magie der schwebenden Gegenstände ohne äusseren Einfluss!

Supraleitungen: die Magie der schwebenden Gegenstände ohne äusseren Einfluss!

Es klingt wie Magie, ist aber Realität. Ein Metallkörper schwebt scheinbar schwerelose im Raum, ohne jedweden äusseren Einfluss. Dieses Bild eines Supraleiters begeistert nicht nur Science-Fiction Fans, sondern gehört mittlerweile in jeder Physikoberstufe zum Lehrplan. Die Details dahinter klingen nahezu so fantastisch wie der Vorgang selbst, den die Welt übrigens bereits am 8. April 1911 zum ersten Mal bestaunen durfte. Mit der Abkühlung von Quecksilber auf vier Grad über absolut Null (minus 269 Grad Celsius), gelang dem niederländischen Physiker und Nobelpreisträger Heike Kamerlingh Onnes die Sensation: Der elektrische Widerstand des Metalls ging auch gleich null, der Supraleiter war geboren.

Was ist ein Supraleiter und wie transportiert er den Strom?

Ein Supraleiter ist ein Material, dessen elektrischer Widerstand beim Unterschreiten einer sogenannten Sprungtemperatur gegen null geht. Damit verbunden ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Materials und der Strom durchfliesst es nahezu ungehindert. Bildlich gesprochen, kann die Stromleitung mit einer Wasserleitung verglichen werden. Partikel, die sich in der Leitung befinden, fliessen ungehindert, solange sie auf kein Hindernis wie etwa ein Sieb treffen. Dieses Sieb ist der elektrische Widerstand, der den Stromfluss einzelner Ladungsträger, der Elektronen, abbremst. Das Phänomen beschreibt in der Physik den elektrischen Widerstand im Teilchenmodell. Die physikalische Hypothese dazu ist die des Elektronengases: Elektronen verhalten sich im Metall wie ein Gas.

Warum geht der Widerstand einer Supraleitung gegen null?

Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials, die Konduktivität beziehungsweise die Fähigkeit Strom zu leiten, ist proportional zu elektrischer Feldstärke und Stromdichte. Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert zum spezifischen Widerstand und bezeichnet den ungehinderten Transport von Elektronen ohne Veränderung der Materialzusammensetzung. Dementsprechend werden elektrische Leiter eingeteilt in:

  • Nichtleiter oder Isolatoren (Nichtmetalle)
  • Halbleiter (Silizium)
  • Leiter (Metalle)
  • Supraleiter (Metalle, Fullerene)

In einem elektrischen Leiter bewegen sich Elektronen ohne das Anlegen einer äusseren elektrischen Spannung zunächst ungeordnet. Wird eine Spannung angelegt, entsteht ein elektrisches Feld. Die Elektronen wandern entlang dieser Feldlinien. Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes wird durch die Teilchenbewegung generiert, deren Schwingungen bei höheren Temperaturen zu- und bei tiefen Temperaturen abnehmen. Im ionisierten Zustand (Plasma) ist jeder Stoff und jedes Material elektrisch leitend. Umgekehrt werden Metalle oder Oxide unterhalb einer spezifischen Temperatur supraleitend und der Strom fliesst ohne Verluste.

Was ist der absolute Nullpunkt und bei welchen Temperaturen werden Materialien supraleitend?

Der absolute Nullpunkt ist ein Temperaturgrenzwert, der nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik nicht erreicht werden kann. Er ist definiert als der Ursprung der absoluten Temperaturskala und ist auf null Kelvin, das heisst minus 273,15 Grad Celsius festgelegt. Supraleitende Materialien werden grundsätzlich eingeteilt in:

  • Supraleiter
  • Hochtemperatursupraleiter

Wird bei konventionellen Supraleitungen die Sprungtemperatur nahe dem absoluten Nullpunkt, also der Siedetemperatur von flüssigem Helium bei minus 269 Grad Celsius erreicht, liegt diese Temperatur bei Hochtemperatursupraleitern weitaus höher. Hier genügt die Siedetemperatur von Stickstoff von minus 196 Grad Celsius. Alle physikalischen Systeme in der Nähe des absoluten Nullpunkts zeigen Verhaltensweisen wie Suprafluidität oder Bose-Einstein-Kondensation.

Welche Materialien eignen sich als Supraleiter?

Die Einteilung der Supraleiter in zweiunddreissig verschiedene Stoffklassen ergibt übersichtshalber vier grosse Gruppen:

  • metallische Supraleiter (Legierungen, Metalle, metallische Stoffe)
  • keramische Hochtemperatursupraleiter
  • eisenhaltige Hochtemperatursupraleiter
  • Graphen (Kohlenstoff)

Unter hohem Druck wird Schwefelwasserstoff zu einem metallischen Leiter und erreicht eine Sprungtemperatur von gerade einmal minus 70 Grad Celsius. Für eine Verbindung aus Lanthan, Sauerstoff, Strontium und Kupfer mit einer Sprungtemperatur von minus 227 Grad Celsius erhielten die Forscher Georg Bednorz und Alex Müller im Jahr 1986 den Nobelpreis.

Wie funktioniert die Supraleitung?

Eine Supraleitung funktioniert nur, wenn das stromleitende Material oder die Materie tiefgekühlt wird. Selbst Hochtemperatursupraleiter benötigen Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser, also null Grad Celsius, was technisch betrachtet immer eine Kostenfrage ist. Wird bei Supraleitern somit Helium als Kühlmittel gebraucht, ist es bei höheren Temperaturen möglich, auf das kostengünstigere Stickstoff zurückzugreifen. Die niedrigste Sprungtemperatur besitzt Lanthan-Decahydrid, nämlich minus 23 Grad Celsius bei einem Druck von 170 Gigapascal. Darauf folgt Schwefelwasserstoff mit minus 70 Grad Celsius bei einem extrem hohen Druck von 300 Gigapascal.

Welche technischen Anwendungsmöglichkeiten gibt es für die Supraleitfähigkeit?

Da Supraleitungen entweder bei extrem niedrigen Temperaturen oder nur unter Verwendung sehr hoher Drücke reibungslos arbeiten, ist eine Verwendung bei Raumtemperatur in der Technik bis dato ausgeschlossen. Da im supraleitenden Zustand die elektrischen und magnetischen Felder innerhalb der Materie nach aussen verschoben werden und das Material somit ein äusseres Magnetfeld aufbaut, eignen sich Supraleitungen insbesondere für:

  • supraleitende Magnetspulen in der Forschung (Teilchenbeschleuniger, Fusionsreaktoren)
  • medizinische Diagnostik (Kernspintomografie)
  • Transportmittel (Magnetschwebebahnen)

Was sind die neuesten Innovationen in puncto Supraleitung?

Strom und Energie nahezu verlustfrei und widerstandslos in Hochspannungskabeln zu den Verbrauchern zu transportieren – das ist laut neuen Forschungsergebnissen des Instituts für Festkörperphysik in Karlsruhe in Zusammenarbeit mit anderen renommierten Forschungsinstituten mitunter keine Zukunftsmusik mehr. Mit einem sogenannten Hochtemperatursupraleiter, der zu den Cupraten (kupferhaltige Anionen) zählt, konnte die Ladungsdichtewelle der Supraleitung näher untersucht werden. Ziel ist es, Supraleitungen auch bei Raumtemperaturen durchzuführen. Des Weiteren zählen Supraleitungen zu den vielversprechendsten Kandidaten für Quantencomputer.

Das könnte dich auch interessieren

Glasfaseranschlüsse – die wichtigsten Fragen und Antworten

Glasfaseranschlüsse erzeugen schnellere Datenübertragungsgeschwindigkeiten durch die Verwendung von Lichtimpulsen. Diese bilden einen elektromagnetischen Träger, der Daten mithilfe einer Glasröhre sendet. Diese Art der Internetverbindung ist teurer und komplexer zu installieren als herkömmliche Kabel, erzeugt jedoch eine extrem schnelle Verbindung über grössere Entfernungen. Normalerweise ist die Internetverbindung umso langsamer, je grösser die Entfernung ist. Das ist beim Glasfaser-Internet jedoch nicht der Fall. Wie teuer eine Glasfaserverbindung ist, was du brauchst, um sie zu installieren und weitere Fragen rund um das Thema Glasfaser beantworten wir in diesem Artikel.

Steckdosentypen: Diese Unterschiede gibt es weltweit

Andere Länder, andere Sitten – bei einem Urlaub in einem fremden Land ist dir sicher schon einmal aufgefallen, dass die Stromversorgung und die Steckdosentypen oder Steckverbinder sich deutlich von der Norm in deinem Heimatland unterscheiden. So kann es passieren, dass du bei einem Urlaub ausserhalb der Schweiz einen Reiseadapter benötigst. Gleiches müssen natürlich auch deutsche Urlauber beachten, wenn sie einen Urlaub in der Schweiz planen. Weltweit unterscheiden sich nicht nur die einzelnen Steckdosentypen, sondern auch die anliegende Spannung. Entsprechende Informationen über das jeweilige Zielgebiet findest du natürlich im Internet.

Aussenleuchte mit Sensor auswählen und anbringen

Moderne Aussenlampen setzen im Umfeld von Haus und Garten stilvolle Lichtkonzepte um. Es gibt sie als Wandleuchten, Hängeleuchten, Pendelleuchten, Deckenleuchten, Solarleuchten, Gartenleuchten, Pollerleuchten und Strahler. Sie spenden ein angenehmes Licht und bieten eine breite Vielfalt an Funktionen. Darüber hinaus überzeugen die Outdoor Leuchten mit einer hohen Material- und Fertigungsqualität sowie mit einem eleganten Design. Die Aussenbeleuchtung hellt dunkle Stellen auf und verleiht Terrassen, Garagen, Zufahrten und Balkonen einen schönen optischen Blickfang. Im Folgenden erhältst du wichtige Informationen über moderne Aussenleuchten, welche Vorteile sie bieten und wie sie fachgerecht montiert werden.

Multimedia Steckdosen machen Schluss mit Kabelsalat im ganzen Haus

Das Bild gehört in vielen Haushalten zum Alltag: In der Ecke hinter dem Fernsehtisch türmen sich meterlange Kabel und Mehrfachsteckdosen – vielleicht verschwindet sogar das Kabel vom Satellitenanschluss einfach in einem Loch in der Wand. Multimedia Steckdosen machen diesem Chaos ein Ende und sorgen für Ordnung. Sie sitzen dort, wo sie nötig sind, zusammen mit den erforderlichen Steckdosen übersichtlich in der Wand und versorgen alle Endgeräte auf dem kürzesten Weg mit Strom und Daten. Doch nicht nur Multimediaentertainment verlangt nach neuen Leitungen. Zusätzlich bietet Smart-Home-Technologie die Chance, die volle Funktionalität aller Installationen zu nutzen und zentral zu steuern.

Dimmer für LED – keine einheitlichen Standards vorhanden

Glühlampen werden mehr und mehr aus dem Handel verbannt, während Energiesparlampen zwar eine stromsparende Alternative sind, jedoch im Licht sehr grell und für bestimmte Räume ungeeignet bleiben. Daher sind LEDs die bessere Wahl – allerdings lassen sich die Leuchtmittel schlecht dimmen. Es gibt Dimmer für das Leuchtmittel der LEDs, die spezielle Aufgaben erfüllen. Nicht jeder ist für Leuchten dieser Art geeignet. Tatsächlich kann ein falscher Dimmer sogar die Lampe beschädigen. Wissenswertes über Dimmer für LEDs gibt es hier.

Schutzklassen: Lebensgefährliche Unfälle im Haushalt vermeiden

Unfälle im Haushalt können schwerwiegende Folgen haben. Das gilt besonders für die Elektroanlage. Ist diese fehlerhaft angeschlossen oder weist sie einen Defekt auf, ist ein tödlicher Stromschlag nicht auszuschliessen. Um ihn zu verhindern, gibt es die Schutzklassen und Schutzarten. Bei der Elektroinstallation speziell in Feuchträumen sind sie unbedingt einzuhalten. Darüber hinaus sollten Fehlerstromschutzschalter und Erdleiter nicht vergessen werden. Am besten wendest du dich an einen Elektrofachbetrieb deines Vertrauens, der für eine fachgerechte Installation und Einhaltung aller Vorschriften sorgt.