Widerstand beim Supraleiter

Alpha · Gast

Hallo Leute,
ich muss für Physik ein Referat über Supraleitung halten. Dabei ist mir noch ein kleiner Teil nicht klar: Warum sinkt der Widerstand beim Supraleiter nicht mit der Temperatur linear weiter, sondern fällt sozusagen auf einmal auf Null?

Ich hab mich schon an meinen Chemielehrer gewandt, der mir erklärt hat, dass bei niedrigerer Temperatur halt die positiven Restatome geringer schwingen und so den Elektronen nicht "den Weg versperren". Doch mein Problem konnte er auch nicht beantworten.

mfg
Alpha Wink

BlackJack · Anmeldungsdatum: 07.03.2004 Beiträge: 89 Wohnort: org 100h / Münsterland

hmm, ohne einen ausflug in die quantenmechanik wirst du da nicht viel reissen können. um es mal ganz knapp auszudrücken (soweit ich das verstanden habe):
ab einer bestimmten temperatur schwingen die atome des stoffes so wenig, dass sie die elektronen kaum noch stören, sodass zwei elektronen sozusagen paarweise wandern können, da eines sich an die atome "koppelt" (mit diesen wechselwirkt). jetzt können sich die beiden elektronen mit jeweils halbzahligem spin wie ein teilchen mit ganzzahligem spin verhalten, das dann ähnliche eigenschaften wie etwa photonen aufweist. und dadurch können die beiden elektronen ungehindert durch den leiter fliegen.

ich habe das nur aus einem populärwissenschaftlichen buch, ist von daher wahrscheinlich nicht so ganz richtig und auf jeden fall unklar formuliert. aber das wichtige ist, dass aus 2 "materieteilchen" mit halbzahligem spin (Fermionen) ein "stahlenteilchen" mit ganzzahligem spin (Boson) wird, dass sich dann widerstandslos bewegen kann.

vielleicht können irgendwelche phyikstudenten hier mal ein bisschen mehr klarheit bringen.

GoTo · Anmeldungsdatum: 08.06.2004 Beiträge: 166

Jetzt mal etwas, was nicht direkt mit deiner Frage zu tun hat, aber vielleicht dir beim Referat helfen kann:
Algemeine Informationen über den Supraleiter:

Konventionelle Supraleitung
Supraleitung wurde 1911 zuerst bei Quecksilber bei Temperaturen nahe des absoluten Temperaturnullpunkts beobachtet. Fast alle metallischen Elemente und viele andere Materialien zeigen unterhalb einer materialabhängigen Sprungtemperatur Supraleitung.
Die so genannte klassische Supraleitung wird durch eine Paarbildung von Elektronen (Cooper-Paare) im Supraleiter erzeugt. Bei der normalen elektrischen Leitung entsteht der elektrische Widerstand durch Wechselwirkungen der Elektronen mit Gitterfehlern des Kristallgitters und Gitterschwingungen. Durch die Kopplung der Elektronen im Supraleiter zu Cooper-Paaren wird die Energieabgabe an das Kristallgitter unterdrückt und so der widerstandslose elektrische Stromfluss ermöglicht.
Die vollständige Theorie zur Beschreibung der klassischen Supraleitung beruht auf quantenphysikalischen Effekten (Bardeen, Cooper und Schrieffer Theorie, BCS-Theorie). Die beiden einzelnen Elektronen sind Fermionen, die sich zu einem bosonischen Paar zusammenschließen, und dabei einen makroskopischen Quantenzustand einnehmen. (vgl. Superfluidität)

Hochtemperatursupraleitung
Die Hochtemperatursupraleitung ist ein relativ neues Forschungsgebiet. Keramische Materialien spezieller Zusammensetzung zeigen Supraleitung schon bei relativ hohen Temperaturen (bis zu 143 K = -130 °C).
Bisher ist die Ursache der hohen Sprungtemperaturen nicht bekannt. Nach dem bisherigen Stand der Theorie erscheint jedoch Supraleitung bei Zimmertemperatur (20 °C) kaum möglich zu sein.
Eigenschaften supraleitender Materialien
Neben dem verschwindenden ohmschen Widerstand ist der Meissner-Ochsenfeld-Effekt (Verdrängung von Magnetfeldlinien aus dem Supraleiter) ein Charakteristikum für Supraleitung.

Anwendungen
Aus supraleitenden Spulen hergestellte Elektromagnete werden genutzt, um hohe Magnetfeldstärken herzustellen.
Der Josephson-Effekt wird ausgenutzt, um schwache magnetische Felder mittels einer supraleitenden Schleife zu messen.

BlackJack · Anmeldungsdatum: 07.03.2004 Beiträge: 89 Wohnort: org 100h / Münsterland

äähm, mal so eine frage an GoTo:
suchst du dir alle deine antworten aus dem internet oder einfach bei wikipedia raus?!?
=>
http://de.wikipedia.org/wiki/Supraleiter

Meromorpher · Anmeldungsdatum: 09.03.2004 Beiträge: 388

Hallo, ich versuche es mal knapp und ganz, ganz vereinfacht zu erklären:
Der Widerstand beim Normalleiter kommt hauptsächlich daher, dass sich die Elektronen an den Schwingungen des Gitters stoßen (Phononen) und dann Energie ans Gitter abgeben. Wenn es kälter wird, dann schwingt das Gitter weniger stark und die Wechselwirkung mit dem Gitter nimmt ab.
Wenn die supraleitende Phase eingetreten ist, dann bilden die Elektronen Paare (Cooper Paare), die eine gewisse Bindungsenergie besitzen. Jetzt können die Paare nur noch mit dem Gitter wechselwirken wenn die Energie der Stöße mindestens die der Bindungsenergie ist. Bei diesen Temperaturen gibt es aber keine Photonen mit genug Energie um die Paare aufzubrechen, die Elektronen stoßen also überhaupt nicht am Gitter und fließen also Wiederstandslos durch den Leiter.
Ab einer gewissen Temperatur brechen wieder viele Cooper Paare auf und die supraleitende Phase bricht zusammen.

Alpha · Gast

Danke, ich habs jetzt im Prinzip verstanden.
Nur, was ist ein Phonon, und warum kommen auf einmal Photonen, also Lichtteilchen ins Spiel?

Meromorpher · Anmeldungsdatum: 09.03.2004 Beiträge: 388

Phononen sind so etwas wie Schwingungen des Gitters, die man als Teilchen beschreiben kann. In Analogie zu den Teilchen für elektromagnetische Wellen, Photonen, hat man sie Phononen genannt, auch wenn sie sich stark von diesen Unterscheiden (Ist aber hierfür nicht so wichtig).
Mit den Photonen war es einfach ein Tippfehler. Ich meinte, Phononen. Wenn das Gitter stark schwingt (hohe Temperatur) gibt es von diesen viele und sie haben auch mehr Energie, bei tiefen Temperaturen, wenn der supraleitende Zustand ereicht ist, reicht ihre Energie nicht aus um die Cooper-Paare zu zerstören. Unterhalb der kritischen Temperatur hat man also einen durchgehend Supraleitenden Zustand..

BlackJack · Anmeldungsdatum: 07.03.2004 Beiträge: 89 Wohnort: org 100h / Münsterland

und wie ist das mit meiner erklärung, dass aus 2 fermionen ein boson wird? ist die auch richtig oder totaler geistiger dünnschiss? würde mich einfach mal interessieren.

Gast

Nur mal so zu Erklärung (soll aber keine Kritik sein):

Fermionen sind Teilchen mit halbzahligen Spin (alle Masseteilchen), welche dem Pauli-Prinzip unterliegen: Das heißt, in einem System von Fermionen können nie zwei mit denselben Quantenzahlen auftreten. Deswegen gibt es auch verschiedene Elemente (da nie mehr als zwei Elektronen in einem Orbit sein können) und z.B. auch das Elektronengas in der Metallbindung resultiert aus dieesem Prinzip.

Dahingegen sind Bosonen Teilchen, die sich unter besonderen Umständen alle auf einem Energieniveau befinden können. Der Laser wäre sonst nicht möglich, da bei ihm ja alle Photonen gleich schwingen.

Bei der Supraleitung oder auch bei der Bose-Einstein-Kondensation kommt es nun zu der oben erwähnten Kopplung von Fermionen (bei Elektronen zu den Cooper-Paaren). Diese kondensieren nun in den niedrigsten Energiezustand. Wie beim Bose-Einstein-Kodensat, was unter 2,2 K supraflüssig wird, ist nun auch der Leiter supraleitend.

Naja, wer weiss, ob das jemanden hilft
Naemi

Thomas · Administrator Anmeldungsdatum: 20.02.2004 Beiträge: 701

Hi,

wir haben ja mittlerweile unser eigenes Lexikon:

http://www.physikerboard.de/lexikon/index.php/Supraleiter

Fröhlich

Gruß,
Thomas

BlackJack · Anmeldungsdatum: 07.03.2004 Beiträge: 89 Wohnort: org 100h / Münsterland

@Gast:
das war genau das, was ich wissen wollte (naja das mit den fermionen und den bosonen und dem ausschliessungsprinzip wusste ich in etwa schon so). danke.

p.s.:
@Thomas:
jajaja, "euer" "eigenes" lexikon... Augenzwinkern

Meromorpher · Anmeldungsdatum: 09.03.2004 Beiträge: 388

Thomas · Administrator Anmeldungsdatum: 20.02.2004 Beiträge: 701

[lexikontopic]
Ja schon Augenzwinkern

3, 2, 1 ... und meins Zunge raus

Ist wenigstens schneller und themenorientiert smile

Und schlechter als bei Wikipedia sind die Artikel nicht Augenzwinkern

[/lexikontopic]

Gruß,
Thomas

dachdecker2 · Gast

nun ist es so, dass sich Bosonen sogar möglichst viele auf einmal das gleiche Energieniveau anstreben, das heist, sie dürfen nicht nur am gleichen Ort sein, sondern auch gleiche Energie beinhalten. Bosonen sind ausschließlich ruhemasselose (Energie-)Teilchen wie Photonen, die einen ganzzahligen Spin haben.

Unter geeigneten Bedingungen kommt es vor, dass auch Systeme aus Fermionen (zum Beispiel zwei Elektronen oder BEC - Bose-Einstein-Kondensat) bosonische Eigenschaften zeigen, wenn sich ihre Spins zu einem ganzzahligen Gesamtspin addieren lassen.

Dass Phononen das Teilchenanalogon von Gitterschwingungen (Wellen) sind, hab ich auch schonmal gelesen Augenzwinkern

aber kennt jemand den Spin dieser Phononen?

Sehr empfehlenswert zu diesem und anderen Themen ist auf jeden Fall die Sendung alpha Centrauri, die auf BRalpha läuft http://www.br-online.de/alpha/centauri/.

Gruß
dachdecker2

Gast

Hab noch was wichtiges vergessen: zum Thema "Widerstand beim Supraleiter"

Man sollte vorsichtig sein mit: R = 0 Ohm, weil man den Wiederstand nicht beliebig genau messen kann, kann man ihn im Moment (vieleicht auch für immer) nicht von 0 unterscheiden.

Gruß
dachdecker2

Meromorpher · Anmeldungsdatum: 09.03.2004 Beiträge: 388

Wie meinst du das mit dem Widerstand? R=0 ist doch der Witz beim Supraleiter? Es gibt zusätzlich zu R=0 noch ein paar andere Phänomene die einen Supraleiter ausmachen aber der verschwindende Widerstand ist am wichtigsten. Messen kann man den Widerstand sehr exakt, so dass man sagen kann: "R ist mit hinreichender Genauigkeit 0" Augenzwinkern

Nikolas

R ist ziemlich genau 0. Wenn du ein ziemlich großes B-Feld haben willst (ein paar T) so musst man mit gewaltigen Spannungen arbeiten. Und da sieht man schon recht schnell, wenn R nicht wirklich ganz genau 0 ist.
Das mit dem Wiederstand ist aber schon ein Problem. Falls es irgendwo im Leiter einen Ort gibt, der plötzlich einen kleinen Widerstand bietet, tritt ein sogennanten Quench ein und du hast plötzlich eine riesen Spannung an einem kleinen Widerstand. Wenn man da nicht aufpasst hat man schnell einen geschmolzenen Supraleiter. traurig

Meromorpher · Anmeldungsdatum: 09.03.2004 Beiträge: 388

Nikolas

Ich würd auch mal gern mit etwas Helium spielen dürfen... Bei Cern kühlen die damit ihren großen Ring auf ein paar K runter. Echt coole Sache. Rock