Schwebende Hochtemperatursupraleiter

Das Prinzip des Transrapids im kleinen Experiment

In einem Seminar am physikalischen Institut in Würzburg (Mittelseminar A) haben wir zur Veranschaulichung von Supraleitern zweiter Art eine kleine Spielzeuglokomotive schweben lassen:

Eine schwebende Spielzeuglokomotive. Die weiße Schicht an der Unterseite ist der Supraleiter.
Im weißen Behälter ist der Flüssige Stickstoff.

(Klicken Sie auf das Bild, um es in besserer Auflösung zu sehen.)

Als Supraleiter wurde ein Barium-Yttrium-Kupferoxid verwendet. Die Lok wurde vorher mit flüssigem Stickstoff gekühlt.

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Auf die Schienen wurde ein dünner Stapel Papier (ca. 4mm) gelegt, und darauf die Lok gesetzt. Nach dem kühlen mit flüssigem Stickstoff wurd der Papierstapel entfernt; die Lok schwebte ungefähr in der gleichen Höhe wie sie vorher stand.

Die Lok wird vorbereitet.

Auf dem Kopf

Dann haben wir die Lok im supraleitenden Zustand entfernt, und die Schienen mit den Magneten nach unten gedreht - und die Lok von unten wieder darangehalten:

Die Lok schwebt an der Unterseite der Schienen...
... und bewegt sich praktisch reibungsfrei hin und her.
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Der "Rauch" aus dem Schornstein ist Wasser, dass durch die starke Kühlung des Stickstoffs kondensiert ist.

Hier sieht man sehr schön den Spalt zwischen der Schiene und der Lok.
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Theorie

Supraleiter erster Art

Wenn man versucht, auf einer derart dünnen Magnetschiene etwas schweben zu lassen, so darf man keinen Supraleiter erster Art verwenden.

Ein Supraleiter erster Art schließt Magnetfelder vollständig aus seinem Inneren aus und stößt dadurch jeden Magneten ab. Das ist der Sogenannte Meißner-Ochsenfeld-Effekt.

Damit kann man zwar einen Supraleiter auf einer großen Magnetfläche schweben lassen, nicht aber auf einer sehr kleinen Fläche. Dort sind die Magnetfelder sehr inhomogen, d.h. nicht überall gleich stark.

Das Magnetfeld einest Stabmagneten ist direkt über den Polen am stärksten.

Wenn man einen Supraleiter erster Art über einen kleinen Magneten hält und ihn schweben lassen will, so wird er sofort zur Seite kippen und herunterfallen, weil an der Seite das Magnetfeld schwächer ist - so als ob man probiert, einen Ball auf einer Messerschneide zu balancieren.

Ein Supraleiter, der vom Magneten abgestossen wird, wird nicht über dem Magneten schweben, sondern seitlich wegkippen, weil dort das Magnetfeld schwächer ist.
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Supraleiter zweiter Art

Supraleiter zweiter Art zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie Magnetfelder nicht in jedem Fall abstossen.

Supraleiter verlieren oberhalb einer kritischen Temperatur, die vom Material abhängt, ihre besonderen Eigenschaften. Wenn man einen Supraleiter zweiter Art, der wärmer ist als seine kritische Temperatur, in ein Magnetfeld bringt, wird er nicht abgestossen.

Kühlt man ihn dann unter seine kritische Temperatur ab, so friert er sozusagen das Magnetfeld ein. Der Supraleiter erhält dieses Magnetfeld aufrecht, auch wenn man den Magneten entfernt.

Dadurch hält der Supraleiter seine Position relativ zum Magneten konstant, d.h. er kann schweben, wie die Bilder zeigen kann er sogar unterhalb des Magneten in der Luft hängen.

Innerhalb des Supraleiters zweiter Art gibt es winzige Schläuche, die sogannten Flussschläuche. Innerhalb dieser Schläuche, die entlang der Magnetfeldlinien verlaufen, ist das Magnetfeld konstant.

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Quellennachweis

Die Fotos wurden am 29. Juli 2006 am Physikalischen Institut der Uni Würzburg von einem mir nicht namentlichen bekannten Kommilitonen gemacht. Ich habe seine mündliche Erlaubnis, die Fotos hier zu veröffentlichen. Dankeschön dafür ;-).