Schwebende Supraleiter

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

ich interessiere mich gerade für diese Schwebeversuche mit Supraleitern und Permanentmagneten. Es ist faszinierend anzusehen, doch leider verstehe ich die meisten Experimente gar nicht.
Die Erklärungen, die da gegeben werden, sind oft sehr dürftig. Da heisst es einfach „das Magnetfeld wird im Inneren eingefroren und deshalb schwebt das eben“. Aber in einem Permanentmagneten ist auch ein Magnetfeld, sogar ohne Kühlung. Und trotzdem schwebt der nicht.

Am erstaunlichsten finde ich, wie so ein Supraleiter unter einem Magneten hängen kann, mit mehreren Millimetern Luft dazwischen. Derselbe Supraleiter, der vorher noch geschwebt ist, also vom Magneten abgestoßen wurde. Der wird jetzt angezogen, und zwar mit einer Kraft, die genauso groß ist wie sein Gewicht. Das funktioniert doch sonst nur mit einer aufwändigen elektronischen Regelung.

Kann es jemand bitte gut erklären?

Gruß
Olaf

#2

Hi,
zuerst mal zu den Supraleitern: Wenn man diese Stoffe extrem abkühlt haben sie keinen elektrischen Widerstand mehr. Wenn man Strom durch einen Stoff fliessen lässt, der einen elektrischen Widerstand aufweist, erwärmt sich jener und „zapft“ dabei den Strom an. Elektrische Energie wird also zu Wärmeenergie.
Beim Supraleiter passiert das nicht. Der Strom kann also ungehindert durchfliessen.

Nun zum Schwebeefekt: Dazu muss man die Lorentzkraft verstehen (http://de.wikipedia.org/wiki/Lorentzkraft)
Grob gesagt:
Wenn sich eine Ladung (ein Elektron) in Richtung x bewegt („Strom“), und ein Magnetfeld in Richtung y vorhanden ist, dann entsteht eine Kraft in Richtung z, wobei die drei Richtungen sekrecht aufeinander stehen.

Wenn man nun ein Stück Metal in einem Magnetfeld herum bewegt, dann bewegt man ja auch die Elektronen im Metal im Magnetfeld. Diese werden dann in eine Richtung gedrückt und es entsteht ein Stromfluss innerhalb des Metals. Dieser wird „Wirbelstrom“ genannt.
Nun könnte man meinen, dass das Metallstück ja dann in eine bestimmte Richtung gedrückt werden müsste - dem ist aber nicht so, da es ja normalerweise genau gleich viele Protonen (positiv) wie Elektronen (negativ) im Metalstück hat. Auf Ladungstypen wirken somit entgegengesetzte Kräfte, die sich auf das Ganze Metalstück wieder gegenseitig auslöschen.

Da dieses normale Metallstück ja einen Widerstand hat, wird dieser Wirbelstrom sofort „vernichtet“, also in Wärme umgesetzt.

Wenn nun ein Metalstück (Supraleitend) keinen Widerstand aufweist, kann dieser Strom nicht „vernichtet“ werden, sondern es entsteht ein wirklicher Stromfluss, wenn man es bewegt. Dieser Stromfluss zeigt aber wieder in eine andere Richtung als das man es bewegt, und deshalb zeigt auch die Kraft wieder in eine andere Richtung usw… schlussendlich zeigt die Kraft entgegen der Bewegungsrichtung, und somit wird die Bewegung aufgehoben. So kommt der Schwebeeffekt zu stande: Die „Bewegung“ und die entgegengesetzte Kraft halten sich im Gleichgewicht.

Nun gibt es ja diese Supraleiter-achterbahnen usw auf denen sich ein Supraleiter bewegt. Dies funktioniert, weil sich der Supraleiter immer die selbe Distanz zu den Magneten hat, und sich nicht in der Richtung des Gradients bewegt.
(Der Gradient ist die „Richtung“ in der das Magnetfeld zu oder eben ab nimmt. Verlgeichbar mit den Höhenlienen auf einer Landkarte: Wenn man die Höhenlinien überschreitet, gewinnt/verliert man an Höhe und die Gravitation wird somit stärker/schächer. Wenn sich der Supraleiter entlang dieser „Magnetischen Höhenlinien“ bewegt, kann er das Tun ohne dass Wirbelstrom erzeugt wird, und eine Kraft in die gegenrichtung Entsteht.)

Ich hoffe, ich konnt das einigermassen anschaulich rüber bringen. Es ist mir klar dass es einige Vereinfachungen hat, und einige Details die nicht ganz korrekt sind, aber es geht um das Prizip und die Vorstellung, wie es funktioniert, also verzeiht mir, Physiker=P

Wenn etwas unklar ist, oder ich wirklich einen groben Fehler gemacht habe, bitte melden!

Gruss niemand

#3

schlussendlich zeigt die Kraft entgegen der Bewegungsrichtung

Das erklärt nicht, warum ein zunächst auf dem Magnet liegender Supraleiter zu schweben beginnt, wenn er unter die Sprungtemperatur abgekühlt wird. Dazu muss man leider die Quantenmechanik bemühen (Meißner-Ochsenfeld-Effek).

#4

Dann bitte ich Dich, diesen doch verständlich zu erklären!
gruss niemand

#5

Hallo,

Das erklärt nicht, warum ein zunächst auf dem Magnet liegender
Supraleiter zu schweben beginnt, wenn er unter die
Sprungtemperatur abgekühlt wird. Dazu muss man leider die
Quantenmechanik bemühen (Meißner-Ochsenfeld-Effek).

dann bemühe doch mal bitte.
Aber muss man das so kompliziert machen? Ich würde das so erklären:
Ein einfacher Diamagnet (Graphitplättchen) schwebt ja auf einem Magneten. Die Elektronenspins (na OK, Quantenmechanik) richten sich in einem äußeren Magnetfeld aus und erzeugen ein Gegenfeld. Der Diamagnet wird vom Permanentmagneten abgestoßen, und so schwebt er.
Ein warmer Supraleiter ist nicht diamagnetisch und liegt auf dem Magneten. Wenn er abgekühlt wird und die Sprungtemperatur unterschritten ist, wird er zum (idealen) Diamagneten, warum auch immer. Und so wird er vom Magneten abgestoßen und beginnt zu schweben.

Unklar ist mir eigentlich nur, warum ein Supraleiter unter einem Magneten schweben kann. Diamagneten werden doch immer abgestoßen, oder?

Gruß
Olaf

#6

Ein warmer Supraleiter ist nicht diamagnetisch und liegt auf
dem Magneten. Wenn er abgekühlt wird und die Sprungtemperatur
unterschritten ist, wird er zum (idealen) Diamagneten, warum
auch immer. Und so wird er vom Magneten abgestoßen und beginnt
zu schweben.

Das „warum auch immer“ ist doch gerade das Problem. Wenn Du einfach nur sagst, dass der Supraleiter mal eben so zum Diamagneten wird, dann kannst Du beispielsweise nicht erklären, woher die Energie für das Anheben kommt. Anstatt mit dem Diamagnetismus zu argumentieren, könnte man auch einfach sagen, dass im Supraleiter beim Unterschreiten der Sprungtemperatur konstante Ringströme starten, die dafür sorgen, dass er einen bestimmten Abstand zum Magneten hält - und zwar egal ob er darüber oder darunter schwebt. Das erklärt aber überhaupt nicht, warum das passiert. Dafür habe ich noch nirgends eine leicht verständliche Erklärung gefunden und da es sich um einen quantenmechanischen Effekt handelt, bezweifle ich, dass es eine solche gibt.

#7

Hallo

Irgendwo hast Du geschrieben, ein Supraleiter sei ein idealer Diamagnet.
Ein Supraleiter ist jedoch ein elektrisches Objekt, und zwar ein Leiter ohne inneren ohmschen Widerstand.
Für eine Spule bedeutet das, das ein bewegter Magnet auf eine geschlossene supraleitende Spule zunächst eine elektromagnetische Induktion bewirkt, und dann dadurch in dem Supraleiter ein Strom entsteht, der ohne Entnahme von elektrischer oder magnetischer Energie nicht wieder verloren gehen kann und seinerseits bewirkt, das der Supraleiter selbst ein Magnet wird.

Jetzt hast Du noch das Schweben über, und das hängen unter einem Magneten beschrieben und fragst nach einem Grund.

Hier ist der wichtigste Erklärungspunkt die Polarität des induzierten supraleitenden Magneten.

Wird ein Supraleiter auf einen Magnetpol abgesenkt, so gibt es eine Gegeninduktion im Supraleiter, beide Magnete stossen sich ab. Das ist aber auch klassische Physik, kann man irgendwo nachschlagen.

Wird ein Supraleiter von einem Magneten entfernt, so ist die induzierte Polarität genau andersherum, das Feld steigt nicht an, es fällt ab, und die magnetische Polung im Supraleiter ist nicht mehr abstossend sondern anziehend.

Welche Polung eine Induktion hat, hängt einmal von der magnetischen Polarität ab und einmal davon, ob der Magnet gerade schwächer oder stärker wird. Ein gleichbleibender Magnet hat normal keine elektromagnetische Induktion.

MfG
Matthias