Supraleitung – dies ist ein einzigartiges Phänomen in der Physik, wenn Materialien, die auf eine bestimmte Temperatur gekühlt werden, den nahezu vollständigen Widerstand gegen elektrischen Strom verlieren. Als Ergebnis der Supraleitung kann elektrischer Strom ohne Energieverlust fließen, was dieses Phänomen für verschiedene technische Anwendungen sehr attraktiv macht.
Die Supraleitung wurde erstmals 1911 von der niederländischen Physikerin Heike Kamerling Onnes entdeckt. Während seiner Experimente stellte er fest, dass der elektrische Widerstand von Quecksilber bei sinkender Temperatur auf Null ansteigt. Es konnte eine Temperatur unter 4.2 K (-268.95 ° C) erreichen, bei der Quecksilber zum perfekten Stromleiter wurde.
Nach der Entdeckung der Supraleitung fanden die Forscher heraus, dass sich dieses Phänomen nicht nur in Quecksilber, sondern auch in anderen Materialien wie Blei, Zirkonium, Niob und mehr manifestiert. Die Arbeit von Leonid Landau, der 1950 die Fermi-Flüssigkeitstheorie vorschlug, war von großer Bedeutung für die Entwicklung der Supraleitungstheorie.
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden signifikante Fortschritte bei der Untersuchung der Supraleitung erzielt. 1986 entdeckten Johannes Bednorz und Karl Müller die Supraleitung bei deutlich höheren Temperaturen als bisher für möglich gehalten. Ihre Entdeckung beeinflusste die Entwicklung des Supraleitungsbereichs erheblich und führte zu einer neuen Forschungsrunde.
Grundlegende Konzepte der Supraleitung
Grundlegende Konzepte im Zusammenhang mit Supraleitung:
- Kritische Temperatur (Tc) - dies ist die Temperatur, unter der das Material zum Supraleiter wird. Die kritische Temperatur ist für verschiedene Materialien unterschiedlich und hängt von ihrer Struktur und ihrer chemischen Zusammensetzung ab.
- Kritisches Magnetfeld (Hc) - dies ist ein Magnetfeld, bei dessen Überschreitung die Supraleitung im Material zerstört wird. Das kritische Magnetfeld hängt auch von den Materialeigenschaften ab.
- Kritische Stromdichte (Jc) - dies ist die Dichte des elektrischen Stroms, bei deren Überschreitung die supraleitenden Eigenschaften des Materials verloren gehen.
- Londoner Eindringtiefe (λ) - dies ist eine Eigenschaft, die bestimmt, wie tief ein Magnetfeld in einen Supraleiter eindringen kann. Je niedriger der Wert der Eindringtiefe in London ist, desto besser verhält sich das Material unter supraleitenden Bedingungen.
Die Entdeckung der Supraleitung im Jahr 1911 durch Heike Kamerling-Onnes und Heather Onnes führte zu erheblichen Fortschritten in der Physik und ermöglichte die Entwicklung neuer Materialien und Vorrichtungen, die auf diesem Phänomen basieren.
Was ist Supraleitung und wie manifestiert sie sich in der Physik
Eines der wichtigsten Merkmale der Supraleitung ist der Meissner-Effekt. Wenn der Supraleiter auf eine bestimmte kritische Temperatur abgekühlt wird, wird er zum idealen Superleiter und drückt das Magnetfeld vollständig aus seinem Volumen heraus. Somit erhält der Supraleiter die Eigenschaft der absoluten Diamagnetisierung. Dies bedeutet, dass das Magnetfeld nicht in den Supraleiter eindringen kann, was es ideal für die Herstellung starker Permanentmagneten und Elektromagneten macht.
Die Entdeckung der Supraleitung wurde 1911 vom niederländischen Physiker Heiko Kammerlingh Onnes durchgeführt. Er fand heraus, dass es dem Quecksilber gelang, ein Supraleiter zu werden, wenn es auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt wurde. Für diese Entdeckung wurde Onnes 1913 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Seitdem wurden andere Materialien gefunden, die bei unterschiedlichen Temperaturen eine Supraleitung aufweisen.
Geschichte der Entdeckung der Supraleitung
Das Phänomen der Supraleitung, dh die Fähigkeit einiger Materialien, elektrischen Strom ohne Widerstand zu übertragen, wurde Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt. Der erste Wissenschaftler, der diesen erstaunlichen Effekt entdeckte, war die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes. Im Jahr 1911 konnte er erreichen, dass Quecksilberproben den Widerstand für elektrischen Strom bei sehr niedrigen Temperaturen vollständig eliminieren.
In wissenschaftlichen Kreisen wurde diese Entdeckung jedoch nicht sofort angenommen und erweckte Zweifel, da zu diesem Zeitpunkt niemand eine zufriedenstellende Erklärung für dieses Phänomen bieten konnte. Die Supraleitung wurde jedoch Gegenstand umfassender Forschung, und bereits in den 20er Jahren wurden bedeutende Entdeckungen in diesem Bereich gemacht.
Die grundlegende Theorie der Supraleitung wurde 1957 vom amerikanischen Physiker John Barden und dem russischen Wissenschaftler Alexei Aprikosow geschaffen. Sie entwickelten die sogenannte "BCS-Theorie" (mit ihren Nachnamen - Barden, Cooper, Fontfer), die eine Erklärung des Mechanismus der Supraleitung auf der Grundlage der Wechselwirkung von Elektronen mit dem Kristallgitter bot.
Für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet der Supraleitung wurden Heike Kamerlingh Onnes, John Barden und Alexei Aprikosov mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Ihre Arbeiten waren ein wichtiger Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung dieses interessanten Wissenschaftsbereichs und fanden praktische Anwendung in verschiedenen Bereichen der Technologie und der Industrie.
Entdeckung der Supraleitung und erste Experimente
Die ersten Experimente, die zur Entdeckung der Supraleitung führten, wurden 1911 von Heike Kamerlingh Onnes und Kollegen durchgeführt. Sie untersuchten die Eigenschaften des Metalls bei sehr niedrigen Temperaturen und stellten versehentlich fest, dass der durch das Metall fließende elektrische Strom nicht mehr auf Widerstand stieß.
Diese Entdeckung erregte großes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und die folgenden Jahrzehnte widmeten sich der Erforschung der Supraleitung und der Suche nach Materialien, die diese Eigenschaft bei höheren Temperaturen besitzen.
Wichtige Entdeckungen im Bereich der Supraleitung
1. Entdeckung der Supraleitung
Eine der ersten wichtigen Entdeckungen auf dem Gebiet der Supraleitung war die Entdeckung dieses Effekts durch die Forscher selbst. 1911 Heike Kamerlingh-Onnes, Heike Kamerlingh-Onnes und Frederik O. Fisher von der Universität Leiden hat herausgefunden, dass bestimmte Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen den Widerstand des elektrischen Stroms vollständig eliminieren können, wodurch sie Supraleitung ausüben können.
2. Entdeckung des Meissner-Oschenfeld-Effekts
1933 wurde von Wolfgang Meissner und Robert Oschenfeld ein Phänomen entdeckt, das als Meissner-Oschenfeld-Effekt bezeichnet wurde. Sie fanden heraus, dass ein Supraleiter in Gegenwart eines Magnetfeldes und bei einer ausreichend niedrigen Temperatur ihn fast vollständig von seinem inneren Volumen ausschließt. Dieser Effekt war ein wichtiger Beweis für das Vorhandensein von Supraleitung und diente als Ausgangspunkt für weitere Studien.
3. Entdeckung der Supraleitung Typ II
Supraleiter wurden in zwei Typen unterteilt, abhängig von ihrer Wechselwirkung mit dem Magnetfeld. Im Jahr 1957 wurde Alexei A. geboren. Es wurde von Aprikosen vorhergesagt, dass einige Supraleiter in einen Supraleitungszustand des Typs II übergehen könnten, der es ihnen ermöglicht, mit einem Magnetfeld zu interagieren. Diese Art von Supraleitern wurde weiter untersucht und ihre Eigenschaften haben sich als sehr interessant und nützlich für verschiedene Anwendungen erwiesen.
4. Erklärung der Supraleitung
Später wurden Theorien entwickelt, die die Supraleitung erklärten. Im Jahr 1957 wurde von John Barden, Leon Cooper und John Fontfer eine sogenannte BCSH-Theorie eingeführt, die die Auswirkungen der Supraleitung erklärt. Diese Theorie basiert auf dem Konzept der Elektronenmobilität im Supraleiter und dem Vorhandensein von gepaarten Elektronenzuständen, die sogenannte BCSH-Paare bilden.
5. Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung
Eine der bedeutendsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Supraleitung war der Nachweis der Supraleitung bei hohen Temperaturen. 1986 wurde von Josef Bednorz und Alexander Müller ein Supraleiter entdeckt, der diesen Effekt bereits bei einer Temperatur zeigt, die deutlich höher ist als bisher bekannt. Diese Entdeckung hat zu neuen Möglichkeiten und Perspektiven auf dem Gebiet der Supraleitung geführt und ein breites Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft hervorgerufen.
Entdeckung des Magneteffekts von Meissner-Ochsenfeld
Meisner und Ochsenfeld führten ein Experiment durch, bei dem sie einen Supraleiter in ein Magnetfeld platzierten und dann auf eine Temperatur abgekühlt wurden, bei der sich die Supraleitung zu manifestieren beginnt. Als Ergebnis des Experiments fanden sie heraus, dass der Supraleiter das Magnetfeld aus seinem inneren Volumen entfernt. Das heißt, in Gegenwart eines Magnetfeldes wurde das supraleitende Material nicht magnetisch.
Dieses Phänomen wurde als "Meissner-Effekt" bezeichnet und ist zu einer der wichtigsten experimentellen Bestätigungen für die Existenz von Supraleitung geworden. Im Laufe der Zeit wurde der magnetische Meissner-Effekt zu einem der Kriterien, um festzustellen, ob ein Material supraleitend ist oder nicht.
Die Bedeutung der Entdeckung von Meisner und Ochsenfeld liegt darin, dass sie eine Verbindung zwischen Supraleitung und Magnetfeldern hergestellt haben. Diese Entdeckung hat viele Fragen aufgeworfen und weitere Untersuchungen auf dem Gebiet der Supraleitung angeregt.
