1 supraleitung k.conder lns eth/psi. 2 temperatur widerstand kelvin (1902) matthiessen (1864) dewar...
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1
SUPRALEITUNG
K.ConderLNS ETH/PSI
2
Temperatur
Wid
erst
and Kelvin (1902)
Matthiessen (1864)
Dewar (1904)
Elektrische Widerstand bei tiefen Temperaturen
Kelvin: die Elektronen werden„eingefroren“ und der Wiederstand steigt (bis zu ).
Dewar: das Kristallgitter wird „eingefroren“- die Elektronen werden nicht gestreut. Der Wiederstand nimmt kontinuierlich ab (bis zu 0).
Matthiesen: Restwiderstand durch Verunreinigungen im Kristallgitter.
3
„Mercury has passed into a new state, which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconducting state“
H. Kamerlingh Onnes 1913 (Nobelpreis 1913)
Supraleitung-die Entdeckung
•Verflüssigung von Helium (4K)•Supraleitung in Hg TC=4.2K (1911)
Wiederstand R=0 unterhalb von TC; (R<10-23 cm, 1018-mal kleiner als für Cu)
4
1x10-8
1x10-7
1x10-6
1x10-5
1x10-4 1 10 100 1000
Temperatur [K]
Cu
PbW
iede
rsta
nd [
cm]
Leiter und Supraleiter
In einigen Materialien fällt beim Abkühlen der Elektrische Widerstand sprungartig auf Null
Widerstand <10-23 cm
Verunreinigungen und Gitterdefekte sind verantwortlich für einen Restwiederstand
Der elektrische Wiederstand von Metallen nimmt mit sinkender Temperatur ab
5
Weitere Entdeckungen
1986 (Januar): Hochtemperatur-Supraleiter (LaBa)2 CuO4 TC=35KK.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon) (Nobelpreis 1987)
1987 (Januar): YBa2Cu3O7-x TC=93K1987 (Dezember): Bi-Sr-Ca-Cu-O TC=110K, 1988 (Januar): Tl-Ba-Ca-Cu-O TC=125K
1993: Hg-Ba-Ca-Cu-O TC=133K (A. Schilling, H. Ott, ETH Zürich)
1911-1986: “Tieftemperatur-Supraleiter” Höchste TC=23K für Nb3Ge
6
1920 1940 1960 1980 20000
20
40
60
80
100
120
140
Cs2RbC60
MgB2
LHe
Flüssiger Stickstoff
HgBa2Ca2Cu3O8
Tl2Sr2Ca2Cu3O10
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
YBa2Cu3O7
La2-xSrxCuO4
Ba1-xKxBiO3
BaPb1-xBixO3NaxWO3NbO
Nb3GeNb3SnNbN
NbPbHg
T C [K
]
Jahr
7
8
Fundamentale Eigenschaften
R=0 unterhalb TC
0 20 40 60 80 100 120 140
0.000
0.005
0.010
YBa2Cu
3O
6.98
Wie
ders
tand
[Ohm
]
Temperatur [K]
Tc(onset)=94K
Tc(R=0)=78K
Ein induzierter Strom im Ring aus einem Supraleiter floss ohne messbare Verminderung während zweieinhalb Jahre!!!
9
Ein Supraleiter ist ein perfekter Diamagnet d.h. verdrängt vollständig ein Magnetfeld aus seinem InnerenW. Meissner, R. Ochsenfeld (1933).
An der Oberfläche des Supraleiter (T<TC) werden supraleitende Abchirmströme angeworfen, welche ein Magnetfeld erzeugen, das im Inneren des Supraleiters das äussere Magnetfeld exakt kompensiert.
Der Meissner-Ochsenfeld-Effekt
Ein Magnet schwebt (lewitiert) über einem Supraleiter.
10
Der Meissner-Effekt II
11
Ein Metall in einem Magnetfeld
12
Ein perfekter Leiter
13
Supraleiter
14
Was war zuerst das Ei oder das Huhn?
Ein perfekter Leiter
Der Meissner-EffektDie Abchirmströme fliessen ohne Energieverluste! Widerstand muss Null sein!!!
15
Beiträge zur spezifischen Wärme liefern Phononen und Elektronen. Im normalleitenden Zustand ist: cPhononen ~T³ und cElektronen ~T.
Spezifische Wärme
Nach dem Übergang zur Supraleitung gilt:cElektronen ~exp(-C/T) , was zu einem Sprung in der spezifischen Wärme führt.
Temperatur
Spez
ifisc
he W
ärm
e
cPh ~T³
cEle ~T
cEleS ~exp(-C/T)
SL
NL
TC
16
Supraleitende Elemente
•Die ferromagnetischen Materialien sind nicht supraleitend•Die guten Leiter (Ag, Cu, Au..) sind keine Supraleiter•Nb zeigt das höchste TC = 9.2K aller Elemente
17
Supraleitende Verbindungen
Fullerene C60
Elementarzelle von Cs2RbC60
Rb Cs
Verbindung TC [K]Nb3Sn 18Nb3Ge 23
NbO 2NaxWO3 6BaPb1-xBixO3 12
PbMo6S8 15
(LaSr)2CuO4 36YBa2Cu3O7-x 93HgBa2Ca2Cu3O8+x 135K3C60 19Cs2RbC60 33
18
Nb3Ge (TC=23K)
Ge
Nb
Anordnung der Nb-Atome in Ketten parallel zur x-, y- und z-Achse. Diese orthogonalen Ketten schneiden sich nicht. In den Ketten haben die Nb-Atome einen kleineren gegenseitigen Abstand als im Gitter des reinen Nb. Elementarzelle
der -Wolframstruktur (A15)
19
Das Klassische Model der Supraleitung
Die Verformung des Gitters bildet eine Region positiver Ladungsdichte, die wiederum ein zweites Elektron anzieht.
Ein Elektron, das an den Ionen des Gitters vorbeiwandert, kann dessen Lage verschieben. Das Elektron erzeugt ein Phonon.
Während einer Phononoszillation kann das Elektron ein Distanz von ~104Å zurücklegen. Das zweite Elektron wird angezogen ohne die Abstossungskraft des ersten Elektrons zu spüren.
Phononenfrequenz ~1012Hz, Elektron Gesch. ~108cm/s.
20
Cooper-Paare. BCS Theorie. IQuantenmechanische BSC (Bardeen, Cooper, Schrieffer
1957) Theorie Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich
zu s.g. Cooper-Paaren.Zwei Kugeln auf einer gespannten Gummimembrane. Wenn eine der beiden Kugeln sinkt, bewegt sich auch die andere auf sie zu.
21
Cooper-Paare. BCS Theorie.II
Quantenmechanische BSC (Bardeen, Cooper, Schrieffer) Theorie Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich zu s.g. Cooper-Paaren. Da Gesamtimpuls Null ist, gibt es keinen Impuls- bzw. Energieverlust bei der Wechselwirkung mit der Gitter.
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Fermie und Bose-Statistik
•Gasamtspin ist Null. C-P sind Bosonen. Das Pauli-Verbot gilt nicht mehr. •Alle C-P dürfen den gleichen Quantenzustand mit gleicher Energie einnehmen.
Cooper-Paare bilden sich aus Elektronen mit entgegengesetzten Spins.
•Fermionen-, Teilchen mit halbzaligem Spin (z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen..)•Das Pauli-Verbot -jeder Energiezustand wird nur mit zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins besetzt.
23
Bose-Einstein Kondensation
24
Warum sind die Supraleiter (TTSL) supraleitend?
Die Bewegung des C-P wird durch die Bewegung des gemeinsamen (zwei Elektronen!) Schwerpunktes beschrieben: im Stromlosenzustand ist er in Ruhe, beim Stromtransport verschiebt er sich.
Die Bildung eines C-Paares ist für zwei Elektronen energetisch günstiger als unabhängiges Verhalten. Wird die Kopplung in einem C-P aufgehoben (z.B. durch Stoss mit einer Verunreinigung) so ist dies für beide Elektronen energetisch ungünstig.
Alle C-P befinden sich in gleichen Quantenzustand (Bosonen). Eine Verunreinigung oder Streuung an Gitterionen kann nicht den Quantenzustand für alle C-P gleichzeitig ändern (Kollektives Verhalten).
25
Die guten elektrischen Leiter werden keine Supraleiter. Beim guten Leiter ist die Wechselwirkung zwischen Elektronen und dem Gitter schwach. Für die Supraleiter ist die Elektron-Phonon-Kopplung wichtig.
BCS Theorie: einige Konsequenzen
Isotopieeffekt. Die C-Paarbildung wird über eine Gitterschwingung vermittelt. Diese Schwingung wird von der Masse der schwingenden Gitterionen abhängig.
TC~M- Für viele Tieftemperatur- Supraleiter
=0.5
26
BCS Theorie: Spezifische Wärme
Für die Supraleiter:cElektronen ~exp(-/kT) , 2=Eg – Energielücke. Bindungsenergie der Cooper-Paare.
Temperatur
Spez
ifisc
he W
ärm
e
cEleS ~exp(-/kT) SL
NL
TC
In BCS Theorie: 2=3.5kTC
1eV entspricht einer Temp. ~12000K Tc<20K Eg~1meV Tc~100K Eg~5meV (Eg1.2eV für Si)
2=Eg
EF
Cooper-Paare
27
Wann werden die Supraleiter nicht mehr supraleitend?
Hoche Temperaturen: starke Eigenschwingungen des Gitters arbeiten der Gitterpolarisation (Elektron-Phonon-Kopplung) entgegen.
Magnetfeldern: das Magnetfeld kann die Elektronenspins ausrichten. In C-P müssen die Spins entgegengesetzte Richtungen haben.
Ein fliesender Strom: erzeugt ein Magnetfeld und kann die Supraleitung verhindern.
28
Phänomenologische Theorie. London-Gleichungen
Die Beweglichkeit der Elektronen im elektrischen Feld
Im normalen Metall: beschleunigte Bewegung der Elektronen (zwischen zwei sukzessiven Abstossungen mit Gitterionen)
Die Ladungsträger in Supraleiter werden nicht gestreut:
m·dv/dt=e·E
m- Ladungsträgermassev- Geschwindigkeite- LadungE- Elektrische Feldstärke
J=n·e·v
J- Stromdichten- Ladungsträgerdichte
dJ/dt=E·n·e2/m Erste Londonsche GleichungBeschreibt Wiederstandlosesbehalten von Supraleitern: dJ/dt~E.Die Stromdichte J kann unendlich wachsen!
29
Zweite Londonsche Gleichung I
menE
tJ 2
tBE
Die 3. Maxwell-
Gleichung (Faraday Induktionsgesetz)
tJ
enmE
2
Die 4. Maxwell-Gleichung Der elektrische Strom und ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld erzeugen ein magnetisches Wirbelfeld.
tEJB 000
0- magnetische Feldkonstante0- Elektrische Feldkonstante
Für sehr langsame Feldänderungen
tJ
enmE
2
curl
02
t
BtJ
enm
02
B
mneJ
t
30
Zweite Londonsche Gleichung II
02
B
mneJ
t
JB 0
Die beiden Gleichungen beschreiben magnetische Feldstärke und Stromdichte in einem idealen Stromleiter.B kann jeden zeitunabhängigen Wert einnehmen!!!
In einem Supraleiterinneren ist B=0 und Londons (1934) haben vorgeschlagen:
BmneJ
2
Die zweite Londonsche Gleichung. Die Gleichung beschreibt einen Stromwirbel um einen zeitunabhängigen magnetischen Feld.
BmneB
20
L
xBB
exp0 20nem
L
Die Lösung für eine Dimension
31
Eindringtiefe
0
(T)=0*(1-(T/T
C)4)-0.5
TC
Ein
drin
gtie
fe
Temperatur
bezeichnet die Stelle, wo B(x) auf den e-ten Teil des Oberflächenwertes abgefallen ist.
32
Kohärenzlänge
Die Kohärenzlänge bezeichnet den Abstand zwischen den beiden Ladungsträger eines Cooper-Paares.
GL
ISL SL
x< GL
Die Kohärenzlänge bezeichnet die grösste nichtsupraleitende Strecke die Cooper-Paare durchtunneln können.
33
Ginzburg-Landau Parameter =/GL
Tc [nm] [nm]
Al 1.2 16 1600 0.01Sn 3.7 34 230 0.16Pb 7.2 37 83 0.47
Tc [nm] [nm]
Nb 9.3 39 38 1Nb3Sn 18 80 3 27YBa2Cu3O7 93 150 1.5100Rb3C60 30 247 2.0124Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 200 1.4143
<1/2=0.71 Supraleiter Typ I
>0.71 Supraleiter Typ II
34
Josephsoneffekt: M-I-M. TunneleffektI
VINL NL
Ohmscher Kontakt
V=0
V>0
N1(E) N2(E)
Metall-Isolator-Metall
EF
eVLegt man ein Potenzial an, so bekommt man an beiden Seiten des M-I-M-Überganges unterschiedliche Fermi Niveaus. Die isolierende Barriere könnte durchtunnelt werden. Der Tunnelstrom wird in diesem Fall linear vom Potenzial (der Spannung) abhängig.
35
Josephsoneffekt: M-I-SLI
VINL SL
T>TC
T=0
/e
V>/e
N1(E) N2(E)
Metall-Isolator-Supraleiter
2
V=0
EF
eV
Wen das angelegte Potenzial grösser als /e ist so könnendie Metall-Elektronen in das Energieband oberhalb der Lücke durchtunneln. Die Strom-Spannungs Charakteristik ist nicht mehr linear.
36
Josephsoneffekt: SL-I-SL
GL> x Tunneleffekt.Cooper-Paare können die Isolatorbarriere durchtunneln (unterhalb vom Kritischen Strom I0)
I
VISL SL
2/e
I0
x
T=0
T>TC
2
V>2/e
N1(E) N2(E)
Supraleiter-Isolator-Supraleiter
V=0
EF
eV
Mit einer Erhöhung der Spannung könnte man ähnliche Tunneleffekte wie beim Metall-Isolator-Supraleiter Übergang erreichen.
37
Supraleiter Typ I (/GL<0.71) im äusseren MagnetfeldBi=Ba+0M
Supraleiter Bi=0
Normalleiter Bi=Ba
Negative Einheiten !
38
Supraleiter Typ II im äusseren Magnetfeld
Flussliniengitter in einem Typ-II-Supraleiter. Jede magnetische Flusslinie trägt ein elementares Flussquantum: 0=h/2e2.07·10-15Tm2
39
Supraleiter Typ II. Magnetische Flusslinien
40
Tieftemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm
STM (Scanning Tunneling Microscopy) Aufnahme des Abrikosov-Gitters in NbSe2 H. Hess, R.B. Robinson, and J.V. Waszczak, Physica B 169 (1991) 422
42
Wechselwirkung der Flusslinien mit dem StromIn einem idealen Typ-II-Supraleiter übt ein elektrischer Strom eine Lorenzkraft auf die Flusslinien aus, was eine Driftbewegung von Flusslinien verursacht. Diese verbraucht Energie und verursacht einen elektrischen Wiederstand.
FL=j0FL-Lorenzkraftj-Stromdichte0-Flussquant
Die Defekten im Kristallgitter (z.B. Verunreinigungen) die nicht supraleitend sind, können die Flusslinien „verankern“. Das verhindert die Flusslinienbewegung, solange die Stromdichte einen kritischen Wert jC nicht überschreitet.
43
Hochtemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm
Ein HTSL zeigt zwei Bereiche der gemischten (FL-Flusslinien) Phase:
FL-Festkörper im Bereich Bc1(T)<B<Bm(T)sind die FL fest verankert.FL bilden reguläres Abrikosov-Gitter. Der SL kann einen Transportstrom j<jc verlustfrei tragen.
FL-Flüssigkeit. Die thermischen Fluktuationen „befreien“ die FL aus ihren Verankerungen. Der SL zeigt einem elektrischen Widerstand.
Die Schmelzlinie
44
HTSL. Wiederstandsmessungen
Bi2Sr2CaCu2O8+x Tc=95KHuse, Fisher&Fisher, Nature, 358 (1992) 553
45
Hochtemperatur-Supraleiter. La2-
xSrxCuO4
La, Sr
Cu
O
0.0 0.1 0.2 0.310
100
La2-x
SrxCuO
4
Isol
ator
Met
all
Ant
iferr
omag
net
Supraleiter
TN
TC
Tem
pera
tur [
K]
Sr-Gehalt x, (Löcher per CuO2-Einheit)
2SrO 2Sr‘La + 2Ox
O + VO
VO+ 0.5O2 Ox
O+ 2h
(LaBa)2 CuO4 TC=35K K.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon 1986 )
46
CuO2 -Ebenen 5fache Cu Koordination
CuO-Ketten 4fache Cu Koordination
Hochtemperatur-Supraleiter. YBa2Cu3O7-x
BaO
Y
Perovskite“YBa2Cu3O9”
47
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
Ion Current *10-9 /A
600 700 800 900 1000 1100Temperature /°C
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
DSC /(mW/mg)
86
88
90
92
94
96
98
100
TG /%TG
DTA[1]
[1]
[2]
exoCO2
YBa2Cu3O6
Schmelze
Phasenumwandlung BaCO3
Die Synthese 0.5Y2O3 + 2Ba2CO3 + 3CuO + x/2O2 YBa2Cu3O6.5+x + 2CO2 + H
Thermische Analyse
48
20 40 600
2000
4000
6000
8000
10000YBa
2Cu
3O
7
Inte
nsity
2
Sauerstoffgehaltanalyse:•2Cu3+ + H2O Cu2+ + 0.5 O2 + 2H+
•Jodometrie•Wasserstoffreduktion YBa2Cu3O6.5+x + 5H2 0.5Y2O3 + 2BaO + 3Cu +5H2O
Widerstand und Magnetisierungsmessungen
Röntgenanalyse. Phasenreinheit
Charakterisierung
20 40 600
2000
4000
6000
8000
10000
Inte
nsity
220 40 60 80 100
-1.00
-0.75
-0.50
-0.25
0.00
Mag
netis
ieru
ng
Temperatur [K]
49
Sauerstoffdoping in YBa2Cu3O7-x
6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.00
20
40
60
80
100
Supraleiter
YBa2Cu
3O
7-
Tem
pera
tur [
K]
Sauerstoffgehalt (7-)
TC
200 400 600 800 100098.5
99.0
99.5
100.0
YBa2Cu
3O
6.985
Sau
erst
offg
ehal
t
Gew
icht
[%
]
Temperatur [oC]
6.4
6.6
6.8
7.0Thermogravimetrie
Sauerstoffgehalt ist von der Temperatur (und Sauerstoffpartialdruck) abhängig
50
Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x
Leitende CuO2-Ebene
Ladungsreservoir
Leitende CuO2-Ebene
Löcher
Elektronen
Löcher
2Cu‘Cu + V
O + 0.5O2 2CuxCu +
OxO
2Cu2+ +0.5O2 2Cu3+ +O2-
51
YBa2Cu3O7 TC=93
ab [Å] c [Å] ab [Å] c [Å]
1500 6000 15 4
Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x. Anisotropie
8.3Å
3.4Å
Bi2Sr2Ca2 Cu3O10 TC=110
ab [Å] c [Å] ab [Å] c [Å]
2000 10 000 13 2
Anisotrope Schichtstruktur.Die Cooper-Paare können nicht die Ladungsreservoirs durchtunneln.
Für Einkristalle YBa2Cu3O7 bei 4.2Kjc(ab)~107A/cm2, jc(c)~105A/cm2
52
C a
C aC a
C a
C a
C a
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 2223TC=110K
Bi2Sr2CaCu2O8 2212 TC=95K
Bi2Sr2CuO6 2201TC=20K
Bi-Sr-Ca-Cu-O
54
Sauerstoffdoping in Bi2Sr2CaCu2O8+ (Bi2212)
T. Schweizer, Diss ETH, No10167 (1993)
55
HgBa2Can-1CunO2n+2 “Hg-12(n-1)n”
1 2 3 4 5 6 7
90
100
110
120
130
140
Tem
pera
tur [
K]
CuO2-Ebenen
TC für HgBa2Can-1CunO2n+2
Hg-12(n-1)n
CuO2-EbenenDer Weltrekord 133K !!!ETH Zürich - A.Schilling, M.Cantoni, J.D. Guo, H.R.Ott, Nature, 362(1993)226
56
Hochtemperatur-Supraleiter. BSC Theorie?
90 91 92 93
-0.2
-0.1
0.0 16O 18O
Mag
netis
ieru
ngTemperatur [K]
0 20 40 60 80 100 120-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
Isotopeneffekt ist sehr klein:YBa2Cu3O6.96 TC0.2K TC~M- (o 0.02).Für die meisten LTSL =0.5
Für HTSL TC 100K.In der BSC Theorie TC<30K
Existiert die HTSL ausschliesslich in Cupratverbindungen?
57
MgB2
Entdeckung Januar 2001TC39K –der höchste Wert für einen nicht oxidischen Supraleiter!
Mg
B - Schichten wie im Graphit
58
Symmetrisch:Cu1+, Cu3+
Mn4+
Ni2+, Co3+, Cr3+
Nicht symmetrisch(Jahn-Teller Deformation):
Cu2+
Mn3+
Ni3+, Co2+, Cr2+
Hochtemperatur-Supraleiter. Jahn-Teller Polaronen?
59
• Tc Kritische Temperatur über 77K
• Jc Hoche kritische Stromdichte
• Bc Hoche kritische Magnetfeldern• $ Einfache Herstellung
• R Gute mechanische Eigenschaften
Keine (kleine) Giftigkeit
Technische Anforderungen
60
Abhängigkeit des kritischen Stroms vom Missorientierungswinkel in Zwillingskristallen von Y123
Korngrenzen
C-axis twist boundary
tilt boundary„edge-on“ or „head-on“
Tilt boundary„railway-switch“
61
HTSL- Giftigkeit
10 100 10000
20
40
60
80
100
120
140
160
T C [K]
LD50
[mg/kg]
HgBa2Ca2Cu3O8
HgBa2CuO4
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Pb0.5Cd0.5Sr2Y0.5Ca0.5Cu2O7
Pb2Sr2Y0.5Ca0.5Cu3O8
YBa2Cu3O7
La1.85Sr0.15CuO4As2O3 CdO
LD50- Giftdosis in mg per kg des Körpers, welche tödlich für 50% der Population ist. Ausgerechnet auf Grund der Daten für die Metalloxyden.
P.P.Edwards et al., im „High-Tc Superconductivity 1996“, E.Kaldis et al.(eds.), Kluwer 1997
62
YBaCuO- Dünnfilm
Dünnfilme
63
Dickfilme
Zeit
Temperatur
(1)(2)
(3)
(4)
(1) Ausbrennung der verbliebenen organischen Bestandteile
(2) Peritektisches Aufschmelzen(3) Abkühlen (5-10°C/h) wird die
supraleitende Phase auskristallisiert
(4) Nachglühen in O2 (Sauerstoffstöchiometrie wird eingestellt)
FoliengiessverfahrenSupraleiter-Folien (aus ethanolhaltigen Schlicker) werden auf einem Substrat (Ag oder MgO) schmelzprozessiert.
D. Buhl, Diss ETH No 11850 (1996)
Kritische Stromdichte nehmen für Bi-2212 Filme mit der Dicke ab. Der gesamte Strom der durch ein Film fiessen kann (per cm der Breite), nimmt aber zu
64
Drähte und Bänder. Die Herstellung
American Superconductor
Extrusion
Abfüllen in Silberröhrchen und schweissen
Extrusion
Walzen und Erhitzen bei800-900oC
c ab
65
1990 1994 1996 19981992
60
Krit
isch
er S
trom
[kA
/cm
2 ]
40
20
0
80
Die Entwicklung der Kritischen Stromdichte.Messungen für Bi-2223 Bänder bei 77K.
J.Tallon, Physics World, March 2000
Drähte und Bänder. Kritische Stromdichte
66
100 m Länge !
67
SQUID Superconducting Quantum Interference Device.
Höchstempfindliche Sensoren für magnetische Felder.
Anwendungen. Medizin und Wissenschaft
Supraleitender Ring ( < 1 mm) mit zwei Josephsonkontakten.
Empfindlich für Felder, die ein Hundertmillionstel des Erdfeldes betragen.
68
Anwendungen. Medizin und Wissenschaft
MRI Magnetic Resonance Imaging
Die Atomkerne mit Spin0 (z.B. H in H2O) besitzen magnetische Momente. Die können beobachtet werden in grossen Magnetfeldern.
Ein MRI-Bild des menschliches Gelenk gemacht mit:
a. Cu-Spulle bei RTb. Ag-Spullec. Supraleiter bei
77K
69
Anwendungen. Elektronik Mikrowellenfilter aus YBa2Cu3O7. Mittenfrequenz 6.2 GHz, relative Bandbreite 8%). Entwurf: Bosch GmbH Herstellung: Forschungszentrum Karlsruhe
Mikrowellenfilter
Mikrochips: SFQL (Single Flux Quantum Logic)
Supraleitender Ring mit einem Flussquantum repräsentiert den logischen Zustand 1, ohne 0. Eine Änderung des Zustands gibt ein Spannung Signal (im mV Bereich, 10-12 s)
Sehr hohe Schaltungsfrequenz ist möglich.
Vom: C.Gough, Phys.Educ. 33(1998)38
70
Anwendungen. Industrie
MagLev – Züge (magnetic levitation)
SMES: Superconducting Magnetic Energy
StorageEs speichert elektrische Energie im Magnetfeld, das von einer supraleitenden Spule produziert wird.
Magnetische Lager
Ein Rotor (a flywheel) in der Vakuumkammer als Energiespeicher, gelagert mit einem magnetischen (HTSL) Lager.
71
Anwendungen. Drähte und Bänder
Querschnitte von HTSL Bänder
American Superconductor Corporation
HTSL Kabel
72
Resistiever Strombegrenzer
Beim Kurzschluss erfolgt ein Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand.
Der Strom fliesst durch den Supraleiter. Die volle „Schaltenergie“ wird im Supraleiter in die Wärme umgesetzt.
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Induktiever Strombegrenzer
Die Impedanz des Begrenzers ist Null wenn die Sekundärwicklung (HTSL) supraleitend bleibt.Der Eisenkern wird durch einen Supraleiter vom Magnetfeld abgeschirmt. Die Selbstinduktion in der Primärwicklung ist deshalb sehr klein. Beim Kurzschluss, wird das Magnetfeld grösser als das BC des Supraleiters. Der Eisenkern wird magnetisiert das wieder entgegengesetzter Strom in der Primärwicklung induziert.Die Energie wird vom Eisen absorbiert und als Wärme abgegeben.
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Induktiver Strombegrenzer II
Fault currentLimited current Normal current
ABB hat zwei Anlagen im Langzeittest:• Strombegrenzen im Kraftwerk Löntsch GL (seit 1996)•Transformator in Genf
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