Supraleiter

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Was ist ein Supraleiter?

Ein Supraleiter ist ein Material, das elektrischen Strom widerstandslos leiten kann. Dabei sind Supraleiter jedoch nicht nur unendlich gute Leiter, sondern auch perfekte Diamagnete.

Ein Diamagnet verdrängt ein magnetisches Feld und schwächt es im Inneren ab. Ein Supraleiter kann das Magnetfeld vollständig abschwächen und aus dem Inneren verdrängen. Die Feldlinien laufen vollständig um den Supraleiter herum. Das Gegenstück zu Diamagneten sind Para- und Ferromagnete, die ein äußeres Magnetfeld verstärken.

Inhaltsverzeichnis

Zu den wohl fantastischsten Entdeckungen der modernen Physik gehört die Supraleitung. Es ist bereits sehr faszinierend, dass ein Material keinen elektrischen Widerstand besitzt. Weltweit bekannt geworden sind aber vor allem die Bilder, die zeigen, wie ein Supraleiter über dem Pol eines Permanentmagneten schwebt oder umgekehrt.

Die Abbildung zeigt schematisch ein in der Presse oft gezeigtes Bild: Ein kleiner Magnet schwebt über einem supraleitenden Plättchen (schwarz).

Viele Materialien werden bei sehr tiefen Temperaturen supraleitend. Gewöhnliches Blei beispielsweise wird bei Temperaturen des flüssigen Heliums (4 K ca. – 270°C) supraleitend. Diese extrem tiefen Temperaturen geben der Supraleitung zusätzlich Faszination. Heute wird an Hochtemperatursupraleitern geforscht. Dennoch benötigen die gefundenen Materialien immer noch sehr tiefe Temperaturen. Keramische Materialien mit speziellen Eigenschaften werden bei etwa -100°C supraleitend. Dazu ist allerdings immer noch eine extreme Kühlung, z. B. mit flüssigem Stickstoff notwendig.

Wer schon mal probiert hat, einen Permanentmagneten schweben zu lassen, indem er ihn mit einem Pol über den gleichnamigen Pol eines liegenden Magneten hält (z. B. Nordpol gegen Nordpol), der weiß, wie schwierig dies ist, wenn nicht gar unmöglich. Ein Supraleiter dagegen schwebt stabil im Magnetfeld, obwohl er selbst gar kein Magnet ist. Bringt man den Supraleiter in Kontakt zu einem Ferromagneten (z. B. Eisen), so sind keine magnetischen Kräfte festzustellen.

Weshalb schwebt ein Supraleiter im Magnetfeld?

Grund für die abstoßenden magnetischen Kräfte zwischen Supraleiter und einem Magnetfeld ist der Diamagnetismus des Supraleiters.

Viele Materialien sind diamagnetisch. So auch Wasser. Diamagnete besitzen keine Elementarmagnete wie Para- oder Ferromagnete, die sich in einem äußeren Magnetfeld ausrichten können. Aber es kommt zu einem Induktionseffekt, wenn ein Diamagnet in ein äußeres Magnetfeld eingebracht wird.

Es kommt zur Induktion einen Stromes im Material, der ein magnetisches Moment bedingt, welches nach der Lenzschen Regel dem äußeren Magnetfeld entgegengerichtet ist. So entsteht eine schwach abstoßende Kraft. Mit extrem starken Magnetfeldern gelang es so sogar schon, einen Frosch als wasserhaltiges Lebewesen schweben zu lassen.

Ein Diamagnet (z. B. Wasser) wird also abgestoßen, wenn er ins Magnetfeld eingebracht wird, allerdings sehr schwach. Die abstoßende Kraft zwischen Magnetfeldern und diamagnetischen Stoffen ist nur bei Supraleitern stark. Supraleiter werden deshalb auch als "perfekte Diamagnete" bezeichnet. Sie zeigen eine Magnetisierung, welche die magnetische Flussdichte im Innenraum des Supraleiters komplett verdrängt. Der Supraleiter schwebt aufgrund der abstoßenden diamagnetischen Wirkung bereits über einem verhältnismäßig schwachen Magneten.

Magnetische Permeabilität bei Supraleitern

Zur Beschreibung der Stärke der Magnetisierung wird die magnetische Permeabilität μ eingeführt.

In einem äußeren Magnetfeld H₀ kommt es zur Magnetisierung M. Das gesamte Magnetfeld H in Anwesenheit des Stoffes erhält man durch Multiplikation des äußeren Magnetfeldes H₀ mit der Permeabilität μ: H= μ•H₀.

Dieses Magnetfeld ist die Summe aus dem äußeren Magnetfeld H₀ und der Magnetisierung M des Materials:

H=M+H₀.

Somit gilt für die Magnetisierung: M=H-H₀=μ•H₀-H₀=(μ-1)•H₀.

Man nennt den Faktor (μ-1) auch die magnetische Suszeptibilität χ und es folgt M=χ•H₀. Para- und ferromagnetische Stoffe haben eine Permeabilität, die größer als 1 ist. Die magnetische Suszeptibilität ist somit größer Null. Die Permeabilität diamagnetischer Stoffe ist etwas kleiner als 1, die Suszeptibilität entsprechend kleiner Null. Bei einem Supraleiter ist die magnetische Permeabilität μ=0 und die Suszeptibilität χ=-1. Somit dringt der magnetische Fluss gar nicht mehr in den Supraleiter ein. Man kann sich auch vorstellen, dass bei Supraleitern die Magnetisierung gleich dem äußeren einfallenden Feld ist, nur entgegengerichtet. Deshalb wird das äußere Feld im Supraleiter kompensiert.

Ein Supraleiter besitzt also keine Durchlässigkeit für magnetische Flussdichte. Er hat einen unendlich großen magnetischen Widerstand. Der Supraleiter verdrängt den magnetischen Fluss vollständig aus seinem Innenraum.

Die Abbildung zeigt den Verlauf der Feldlinien des Magnetfeldes H in Gegenwart eines para- bzw. ferromagnetisches Materials (μ =2,χ=1) (links) und in Gegenwart eines Supraleiters mit (μ =0, χ =-1) (rechts). Dabei ist das ursprünglich einfallende Feld als blauer Pfeil eingezeichnet und die Magnetisierung als roter Pfeil.

In einem ferromagnetischen Material ist die Magnetisierung positiv und damit dem ursprünglichen Feld gleichgerichtet. Dies ist immer der Fall, wenn χ > 0, das Material also das Magnetfeld in gleicher Richtung "aufnimmt" und damit verstärkt.

In einem Diamagneten dagegen ist die Magnetisierung dem einfallenden Feld gerade entgegengerichtet. Das aufgenommene Feld ist negativ und damit χ < 0.

Während die positive Feldverstärkung sogar ein Vielfaches größer sein kann als das einfallende Feld ist die negative Abschwächung maximal bis zur vollständigen Kompensation des Feldes möglich. Diese vollständige Kompensation tritt in Supraleitern auf. Für den Supraleiter gilt χ = -1. Somit μ = 0. Der Supraleiter lässt also gar kein Feld durch. Ein Supraleiter ist demnach ein "perfekter Diamagnet".

Spannende Projekte zeigen unsere Magnetanwendungen mit Supraleitern.

Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt

Dr. Franz-Josef Schmitt ist Physiker und wissenschaftlicher Leiter des Fortgeschrittenenpraktikums Physik an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. Er war 2011–2019 an der Technischen Universität beschäftigt und leitete diverse Lehrprojekte und das Projektlabor Chemie. Sein Forschungsschwerpunkt ist zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an biologisch aktiven Makromolekülen. Er ist ausserdem Geschäftsführer der Sensoik Technologies GmbH.

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