• Spins
• Suszeptibilität

Supraleiter

Ein sogenannter Supraleiter hat eine besondere Eigenschaft: Sein ohmscher Widerstand ist gleich null. D.h., dass supraleitende Materialien einen elektrischen Strom ohne Widerstand leiten können. Supraleiter haben jedoch noch eine andere äußerst interessante Eigenschaft: Sie sind diamagnetisch. Ein Diamagnet kann ein magnetisches Feld verdrängen und es abschwächen. Die Feldlinien verlaufen um einen Diamagneten herum. Ferromagneten und Paramagneten machen genau das Gegenteil: Sie verstärken das äußere Magnetfeld, weil die Feldlinien durch sie hindurch laufen.

Supraleiter in der Forschung

Supraleitende Materialien sind schon sehr lange ein wichtiger und interessanter Bereich der modernen Physik. Das wird sich in absehbarer Zeit auch nicht ändern: Zu groß ist der Wunsch nach einem einfach herzustellenden Supraleiter. Darin nämlich liegt der Knackpunkt: Aktuelle Supraleiter sind schwer zu verarbeiten und nur dann supraleitend, wenn sie sehr kalt sind. In der Regel müssen Supraleiter deshalb gekühlt werden, beispielsweise mit flüssigem Helium. Nachdem inzwischen recht viele Materialien entdeckt wurden, die bei solch niedrigen Temperaturen (< -100 °C) supraleitend sind, beschäftigt man sich heute mit Hochtemperatursupraleitern. Der Durchbruch wäre ein Material, das bei Raumtemperatur (oder höher) supraleitend ist.

Faszinierende Effekte

Weil Supraleiter perfekte diamagnetische Eigenschaften haben, lassen sich mit ihnen äußerst interessante Experimente durchführen. Beispielsweise schwebt ein Supraleiter in einem Magnetfeld stabil, obwohl er eigentlich gar kein Magnet ist. Würde man hingegen einen Magneten in einem Magnetfeld zum Schweben bringen wollen, müsste ein hoher Aufwand betrieben werden, diesen stabil zu halten.

Warum ein Supraleiter im Magnetfeld schwebt

Der Diamagnetismus ist die Antwort auf die Frage, wie ein Supraleiter in einem Magnetfeld stabil schweben kann. Wasser übrigens ist auch diamagnetisch, schwebt aber nicht (oder doch?). Worin liegt also die Besonderheit? Diamagnete haben keine Elementarmagnete bzw. keine Elektronenspins, die sich nach einem Magnetfeld ausrichten. Wenn in ein äußeres Magnetfeld allerdings ein Diamagnet eingebracht wird, tritt ein Induktionseffekt auf. In dem Diamagneten wird also ein Strom induziert. Dieser Strom ist es, der ein Magnetfeld aufbringt, welches dem äußeren entgegengesetzt ist (Stichwort: Lenzsche Regel). Dadurch entsteht eine Kraft, die schwach abstoßend wirkt. Nun können wir auch die Frage beantworten, ob Wasser schwebt: Experimente haben gezeigt, dass beispielsweise ein Frosch (wasserhaltiges Lebewesen) mit einem extrem starken Magneten in der Schwebe gehalten werden kann! Bei Supraleitern ist die abstoßende Kraft zwischen den beiden Magnetfeldern sehr stark, weshalb man sie auch gerne als perfekt diamagnetisch bezeichnet. Bereits eher schwache Magnete können Supraleiter deshalb schon schweben lassen.

Physikalischer Hintergrund

Die Stärke einer Magnetisierung kann mit der magnetischen Permeabilität μ beschrieben werden. Dazu klären wir zunächst einmal die grundlegenden physikalischen Verhältnisse: So kommt es zu einer Magnetisierung M in dem äußeren Magnetfeld H₀. Wird dieses Magnetfeld mit der magnetischen Permeabilität multipliziert, erhält man das gesamte Magnetfeld H.

Hier die Formel:

H = H₀* µ (1)

Für die Magnetisierung M gilt wiederum:

M = H - H₀ (2)

Mit (1) gilt für die Magnetisierung M somit:

M = µ * H₀- H₀= (µ - 1) * H₀

Die Permeabilität ist bei ferromagnetischen und paramagnetischen Stoffen größer als 1. Bei Eisen liegt sie zwischen 1 und 2. Bei diamagnetischen Stoffen liegt die magnetische Permeabilität unter 1: Das bedeutet, dass das Magnetfeld nicht in den Supraleiter hinein geht. Eine andere Vorstellung wäre, dass die Magnetisierung dem äußeren Feld entgegen gerichtet und betragsmäßig gleich groß ist, weshalb im Supraleiter das äußere Feld kompensiert wird. Demnach besteht für einen Supraleiter keine Durchlässigkeit hinsichtlich der magnetischen Flussdichte. Im Gegenteil: Das Magnetfeld befindet sich lediglich außerhalb des Supraleiters, denn der magnetische Widerstand des Supraleiters ist unendlich groß.