Supergeleiders
Wat is een supergeleider?
Een supergeleider is een materiaal, dat elektrische stroom weerstandsloos kan geleiden. Tegelijkertijd zijn supergeleiders echter niet alleen eindeloos goede geleiders, maar ook perfecte diamagneten.Een diamagneet verdringt een magnetisch veld en zwakt het in zijn binnenste af.
Een supergeleider kan het magneetveld compleet afzwakken en uit zijn binnenste verdringen.
De veldlijnen verlopen compleet rondom de supergeleider.
Para- en ferromagneten, die een uitwendig magneetveld versterken, zijn het tegendeel van diamagneten.
Inhoudsopgave
De supergeleiding hoort tot de wel meest fantastische ontdekkingen van de moderne natuurkunde.
Het is al zeer fascinerend, dat een materiaal geen elektrische weerstand heeft.
Wereldwijd bekend geworden zijn echter vooral de beelden, die laten zien, hoe een supergeleider boven de pool van een permanente magneet
zweeft of omgekeerd.
De afbeelding toont een in de pers vaak getoonde foto in schemavorm: Een kleine magneet zweeft boven een supergeleidend plaatje (zwart).
Veel materialen worden bij zeer lage temperaturen supergeleidend.
Normaal lood bijvoorbeeld wordt bij temperaturen van vloeibaar helium (4K, ca.
-270 °C) supergeleidend.
Deze extreem lage temperaturen verlenen nog een extra fascinatie aan supergeleiding.
Heden ten dage wordt onderzoek naar hoogtemperatuur supergeleiders gedaan.
Niettemin benodigen de gevonden materialen nog altijd heel lage temperaturen.
Keramische materialen met speciale eigenschappen worden bij ca.
-100 °C supergeleidend.
Daarvoor is echter altijd nog een extreme koeling, bijv.
met vloeibaar stikstof nodig.
Wie al een keer heeft geprobeerd om een permanente magneet te laten zweven, door hem met een pool boven de gelijknamige pool van een liggende magneet houdt, (bijv. noordpool tegen noordpool), weet hoe moeilijk dit is, zo niet onmogelijk. Een supergeleider daarentegen zweeft stabiel in het magneetveld, hoewel hij zelf helemaal geen magneet is. Wanneer men de supergeleider in contact brengt met een ferromagneet (bijv. ijzer) kunnen er geen magnetische krachten worden vastgesteld.
Waarom zweeft een supergeleider in het magnetisch veld?
De reden voor de afstotende magnetische krachten tussen een supergeleider en een magneetveld is het diamagnetisme van de supergeleider.Veel materialen zijn diamagnetisch. Water is dat ook. Diamagneten bezitten geen elementaire magneten zoals para- of ferromagneten, die zich in een extern magneetveld kunnen uitlijnen. Maar er treedt een inductie-effect op, wanneer een diamagneet in een extern magneetveld wordt gebracht.
Er wordt een stroom in het materiaal geïnduceerd, die een magnetisch moment veroorzaakt, dat, in overeenstemming met de wet van Lenz, in tegengestelde richting tot het externe magneetveld verloopt. Zo ontstaat een zwak afstotende kracht. Met behulp van extreem sterke magneetvelden lukte het zelfs al een kikker, als waterhoudend levend wezen, te laten zweven.
Een diamagneet (bijv. water) wordt dus afgestoten, wanneer hij in een magnetisch veld wordt gebracht, maar erg zwak. De afstotende kracht tussen magneetvelden en diamagnetische stoffen is alleen bij supergeleiders sterk. Supergeleiders worden daarom ook "perfecte diamagneten" genoemd. Ze vertonen een magnetisatie, die de magnetische fluxdichtheid in de binnenruimte van de supergeleider volledig verdringt. De supergeleider zweeft vanwege de afstotende diamagnetische werking al boven een relatief zwakke magneet.
Magnetische permeabiliteit bij supergeleiders
Ter beschrijving van de magnetisatie sterkte werd de magnetische permeabiliteit μ ingevoerd.In een extern magnetisch veld H0 treedt de magnetisatie M op. Door het externe magnetische veld H0 met de permeabiliteit μ te vermenigvuldigen krijgt men het totale magneetveld H in aanwezigheid van de stof: H= μ•H0.
Dit magneetveld is de som van het externe magneetveld H0 en de magnetisatie van het materiaal M:
H=M+H0.
Zodoende geldt voor de magnetisatie: M=H-H0=μ•H0-H0=(μ-1)•H0.
Men noemt de factor (μ-1) ook de magnetische susceptibiliteit χ en hieruit volgt M=χ•H0. Para- en ferromagnetische stoffen hebben een permeabiliteit groter dan 1. De magnetische susceptibiliteit is dus groter dan nul. De permeabiliteit van diamagnetische stoffen is iets kleiner dan 1, de susceptibiliteit dienovereenkomstig kleiner dan nul. Bij een supergeleider is de magnetische permeabiliteit μ gelijk 0 en de susceptibiliteit χ gelijk -1. Dus dringt de magnetische flux helemaal niet meer in de supergeleider. Men kan zich ook voorstellen, dat de magnetisatie bij supergeleiders gelijk is aan het van buiten invallende veld, alleen in de tegenovergestelde richting. Daarom wordt het uitwendige veld in de supergeleider gecompenseerd.
Een supergeleider bezit dus geen doorlatendheid voor magnetische flux. Hij heeft een oneindig grote magnetische weerstand. De supergeleider verdringt de magnetische flux compleet uit zijn binnenste.
De afbeelding vertoont het verloop van de veldlijnen van het magneetveld H
in de aanwezigheid van een para- resp.
ferromagnetisch materiaal (μ
=2,χ=1) (links) en in aanwezigheid van een supergeleider met (μ
=0, χ
=-1) (rechts).
Daarbij is het oorspronkelijke invallende veld als blauwe pijl ingetekend en de magnetisatie als rode pijl.
In een ferromagnetisch materiaal is de magnetisatie positief en daarmee hetzelfde uitgelijnd als het oorspronkelijke veld.
Dit is altijd het geval, wanneer χ
>
0, het materiaal het magneetveld dus in dezelfde richting "opneemt" en daarmee versterkt.
In een diamagneet daarentegen is de magnetisatierichting precies tegengesteld aan het invallende veld.
Het opgenomen veld is negatief en daarmee χ
< 0.
Terwijl de positieve veldversterking zelfs een veelvoud groter kan zijn dan het invallende veld, is de negatieve afzwakking maximaal mogelijk tot de volledige compensatie van het veld.
Deze volledige compensatie treedt in supergeleiders op.
Voor de supergeleider geldt χ
= -1.
Dus μ
= 0.
De supergeleider laat dus helemaal geen veld door.
Een supergeleider is daarom een "perfecte diamagneet".
Spannende projecten tonen onze magnetische projecten met supergeleiders.
Auteur:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt is natuurkundige en de wetenschappelijke leider van het natuurkundepracticum voor gevorderden aan de Martin-Luther-Universiteit Halle Wittenberg. Hij werkte van 2011 tot 2019 aan de Technische Universiteit en leidde diverse onderwijsprojecten en het scheikundeprojectlab. Zijn onderzoek richt zich op tijdgeresolveerde fluorescentiespectroscopie van biologisch actieve macromoleculen. Hij is ook algemeen directeur van Sensoik Technologies GmbH.
Het auteursrecht op de complete inhoud van het compendium (teksten, foto's, afbeeldingen etc.) ligt bij de auteur Franz-Josef Schmitt. Het exclusieve gebruiksrecht van het werk ligt Webcraft GmbH, Zwitserland (als exploitant van supermagnete.de). Zonder uitdrukkelijke toestemming van Webcraft GmbH mag de inhoud noch worden gekopieerd, noch op andere wijze worden gebruikt. Uw suggesties ter verbetering of uw lof aangaande het compendium stuurt u alstublieft per e-mail aan
[email protected]
© 2008-2024 Webcraft GmbH
© 2008-2024 Webcraft GmbH