Supraleiter: Ein Blick auf die Materie, die Strom leitet, ohne Widerstand zu bieten
Supraleiter: Ein Blick auf die Materie, die Strom leitet, ohne Widerstand zu bieten
Supraleiter sind Materialien, die Strom leiten können, ohne dabei Widerstand zu bieten. Dies klingt wie ein Wunder, aber es ist ein bemerkenswertes physikalisches Phänomen, das bereits seit über einem Jahrhundert bekannt ist. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Wissenschaft hinter Supraleitern und was sie für die Zukunft der Energieübertragung und -speicherung bedeuten.
Was sind Supraleiter?
Supraleiter sind Materialien, die Elektrizität verlustfrei leiten können. Wenn Strom durch einen Draht fließt, gibt es normalerweise Widerstand, was zu Wärme- und Energieverlusten führt. Supraleiter hingegen bieten keinen Widerstand, sodass der Strom einfach fließen kann.
Supraleiter wurden erstmals im Jahr 1911 von dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Er entdeckte, dass Quecksilber bei sehr niedrigen Temperaturen (-269 Grad Celsius) zu einem Material wurde, das Superleitfähigkeit zeigte. Seitdem haben Wissenschaftler viele verschiedene Supraleiter entdeckt, darunter Materialien wie Blei, Niob und Yttrium-Barium-Kupferoxid.
Wie funktionieren Supraleiter?
Die Unfähigkeit von Supraleitern, Widerstand zu bieten, kommt von der Art und Weise, wie Elektronen in ihnen fließen. In normalen Materialien stoßen Elektronen auf die Atome im Material und können so nicht frei fließen. In Supraleitern ist das anders. Bei sehr niedrigen Temperaturen verbinden sich die Elektronen im Material zu sogenannten "Cooper-Paaren". Diese Cooper-Paare können sich dadurch frei durch das Material bewegen und Strom ohne jeglichen Widerstand leiten.
Die genaue Art und Weise, wie die Cooper-Paare gebildet werden, ist noch nicht vollständig verstanden. Es ist jedoch bekannt, dass sie bei sehr niedrigen Temperaturen entstehen und dass Supraleiter nur dann supraleitend sind, wenn sie unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten "Sprungtemperatur", gehalten werden.
Supraleiter im Einsatz
Die hohe Leitfähigkeit von Supraleitern macht sie ideal für den Einsatz in Energieübertragung und -speicherung. Wenn Strom über große Entfernungen übertragen wird, geht ein Großteil der Energie durch Wärme- und Energieverluste verloren. Wenn jedoch Supraleiter eingesetzt werden, können diese Verluste vermieden und die Übertragung von Energie über große Entfernungen ermöglicht werden.
Supraleiter werden auch in Magneten eingesetzt, da sie in der Lage sind, sehr starke Magnetfelder zu erzeugen. Dies ist besonders in der Medizin von Bedeutung, wo starke Magnetfelder für die Kernspintomographie benötigt werden.
Eine weitere mögliche Anwendung von Supraleitern ist die Speicherung von Energie. Da Supraleiter Energie ohne Verluste leiten können, könnten sie verwendet werden, um Energie in Form von Magnetfeldern zu speichern und später bei Bedarf abzurufen.
Herausforderungen bei der Anwendung von Supraleitern
Obwohl Supraleiter viele mögliche Anwendungen haben, gibt es auch Herausforderungen bei ihrer Verwendung. Wie bereits erwähnt, muss die Materialtemperatur unterhalb der Sprungtemperatur gehalten werden, um Supraleitung zu ermöglichen. Dies erfordert die Verwendung von Kühlsystemen oder die Verwendung von Materialien, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind. Diese Materialien sind jedoch oft schwierig herzustellen und teuer in der Anschaffung.
Außerdem sind viele der derzeit bekannten Supraleiter brüchig und empfindlich gegenüber magnetischen Feldern. Dies begrenzt ihre Anwendung als Leiter von Strom und Magnetismus auf bestimmte Situationen.
Zusammenfassung
Supraleiter sind Materialien, die Strom ohne Widerstand leiten können. Sie wurden erstmals im Jahr 1911 entdeckt und bieten viele Anwendungen in der Übertragung und Speicherung von Energie sowie in der Magnet- und Medizintechnik. Es gibt jedoch auch Herausforderungen bei der Verwendung von Supraleitern, insbesondere im Hinblick auf die Aufrechterhaltung der niedrigen Temperaturen, die für supraleitende Eigenschaften erforderlich sind.
Insgesamt bergen Supraleiter ein großes Potenzial für die Zukunft der Energieübertragung und umweltfreundlichen Energieerzeugung. Während weitere Fortschritte bei der Entwicklung und Herstellung von Supraleitern notwendig sind, könnten wir bald in der Lage sein, von den vielen Vorteilen zu profitieren, die diese faszinierenden Materialien bieten.