Woher nimmt Supraleiter Energie ?

Wissenschaft Physik
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Hallo,

ich habe gerade einen - eher populaerwissenschaftlichen - Vortrag ueber Supraleiter gehoert und erfahren, dass ein im Magnetfeld
abgekuehlter Supraleiter bei Erreichen der Sprungtemperatur
„das Magenetfeld aus seinem Inneren vertreibt“ indem im inneren Stroeme zu fliessen beginnen. (Und teilweise fangen die Dinger dann auch noch an zu schweben.) Woher kommt die Energie fuer den
Stom ? Die Elektronen muessen ja in Bewegung gesetzt werden. Bzw.
wenn das Ding schwebt - wie kann der -durchaus schwere- Leiter angehoben werden ? Wir die Umgebung noch mehr abgekuehlt (wie bei
Eis + Salz) ?

Danke
Martin

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Hi Martin :wink:))

Das, was du da beschreibst, ist der sog. Meissner-Ochsenfeld-Effekt. Um zu verstehen, was da genau passiert, muss ich ein bisschen ausholen.

In einem Magnetfeld (B) spüren Elektronen (Ladung -e) eine Lorentz-Kraft (F):

F = -e*v*B ,

die immer senkrecht zum Magnetfeld und zur Bewegungsrichtung der Elektronen (Geschwindigkeit v) gerichtet ist. Du kannst dir die Richtung der Kraft mir der Rechte-Hand-Regel klarmachen. Tu mal so, als würdest du mit den Fingern der rechten Hand bis 3 zählen, erst Daumen, dann Zeigefinger, dann Mittelfinger. Diese 3 Finger formen jetzt ein 3-dimensionales Achsenkreuz (den Mittelfinger kriegst du ja nicht ganz runter). Der Daumen zeigt in die Bewegungsrichtung des Elektrons, der Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes und der Mittelfinger in Richtung der Lorentz-Kraft. Jetzt wird dir sicherlich klar, dass die Lorentz-Kraft das Elektron auf eine Kreisbahn um das Magnetfeld zwingt. Die Energie dazu kommt aus dem Magnetfeld selber!

Das Interessante ist, dass die kreisenden Elektronen ihrerseits nun einen Kreisstrom darstellen. Und dieser erzeugt seinerseits ein Magnetfeld b, aber eines, das entgegengesetzt zum ursächlichen Magnetfeld B gerichtet ist. Mit anderen Worten, die Lorentz-Kraft (als Ursache für den Kreisstrom) erzeugt ein Magnetfeld b, das dem ursächlichen Magnetfeld B entgegenwirkt!

Im normalleitenden Zustand fließen an der Obefläche der Kugel also bereits winzige Kreisströme. Wegen des elektrischen Widerstandes werden diese Elektronen auf ihren Kreisbahnen jedoch immer wieder abgebremst, sie stoßen sozusagen mit den Ionenrümpfen des Metallgitters zusammen. Daher ist das Gegen-Magnetfeld b sehr viel kleiner als das ursächliche Magnetfeld B. Wenn jetzt aber durch Abkühlung die Supraleitung einsetzt, können sich die Elektronen auf einmal völlig frei bewegen, sie stoßen nicht mehr mit den Ionenrümpfen des Metallgitters zusammen. Und plötzlich kann sich das Gegen-Magnetfeld b voll ausbilden, es erreicht seine maximale Stärke und kompensiert das ursächliche Magnetfeld B nun vollständig! Innerhalb der supra-leitenden Kugel findest du kein Magnetfeld mehr :smile:

Die Energie dafür kommt aus dem äußeren Magnetfeld B selbst. Im normalleitenden Zustand wird diese Energie in Wärme umgewandelt, weil die Elektronen mit den Ionenrümpfen zusammenstoßen. Im supra-leitenden Zustand jedoch wird diese Energie zur vollständigen Verdrängung des Magnetfeldes aus dem Inneren des Supraleiters benutzt!

Das Schweben ist auch eine Folge dieses Effektes. Die Kugel wird quasi gegen-magnetisch (diamagnetisch). Spiel mal mit 2 entgegengesetzt gepolten Magneten, du wirst sehen, dass die Kraft, die sie aufeinander ausüben, extrem stark ist :smile:

Es gibt noch eine andere Klasse von Supraleitern, die das Magnetfeld teilweise in sich eindringen lassen, aber das würde hier jetzt vermutlich zu weit führen …

cu Stefan.

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Woher kommt die Energie fuer den Stom ?

Aus dem Magnetfeld. Das Magnetfeld induziert im Supraleiter einen Strom, der wiederum zu einem Magnetfeld führt, welches nach der Lenzschen Regel seiner Ursache entgegenwirkt uns somit das urschprüngliche Magnetfeld aufhebt.

wenn das Ding schwebt - wie kann der -durchaus schwere- Leiter angehoben werden ?

Der Stromdurchflossene Supraleiter ist ein kleiner Kryomagnet, der mit dem äußeren Magnetfeld in Wechselwirkung tritt. Wenn man zwei Magneten mit identischen Polen gegeneinander hält, dann stellt man fest, daß sie sich abstoßen. Zwischen dem Supraleiter und dem äußeren Magnetfeld bestehen ähnliche Abstoßungskräfte, welche das Gewicht des Sipraleiters aufheben. Allerdings ist die Sache viel komplizierter, als bei gewöhnlichen Elektromagneten (mit denen man ähnliche Kunststücke veranstalten kann).

Wir die Umgebung noch mehr abgekuehlt (wie bei Eis + Salz) ?

Das bezweifle ich, da eine Abkühlung der Umgebung (wie bei Eis + Kochsalz) nur durch eine Entropieerhöhung zu erklären ist, die ich im Fall des schwebenden Supraleiters nicht erkennen kann. Andernfalls wäre die Anordnung ein Perpetuum Mobile zweiter Art, welches nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht erlaubt ist.

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Hallo Martin

ich habe gerade einen - eher populaerwissenschaftlichen -
Vortrag ueber Supraleiter gehoert und erfahren, dass ein im
Magnetfeld
abgekuehlter Supraleiter bei Erreichen der Sprungtemperatur
„das Magenetfeld aus seinem Inneren vertreibt“ indem im
inneren Stroeme zu fliessen beginnen. (Und teilweise fangen
die Dinger dann auch noch an zu schweben.) Woher kommt die
Energie fuer den
Stom ? Die Elektronen muessen ja in Bewegung gesetzt werden.
Bzw.
wenn das Ding schwebt - wie kann der -durchaus schwere- Leiter
angehoben werden ? Wir die Umgebung noch mehr abgekuehlt (wie
bei
Eis + Salz) ?

Das Magnetfeld ist ja eine Form von Energie und aus dieser Quelle bezieht dein Supraleiter sie auch.

Das ganze funktioniert nach dem Dynamo-Prinzip: Wird ein Leiter in einem Magnetfelt bewegt wird darin ein Strom induziert und jeder Strom erzeugt ein Magnetfeld. Das erzeugte Magnetfeld ist proportional zum Strom.
Da der Supraleiter, per definition, keinen elektrischen Widerstand hat, werden diese induzierten Stöme „theoretisch“ unendlich gross und das erzeugte Magnetfeld ebenso. Aufgrund einiger begrenzender Faktoren (Endliche Anzahl Elektronen, Lichtgeschwindikeit, Energieerhaltungssatz) kann der Strom, und damit das erzeugte Magnetfeld, im Supraleiter nicht wirklich unendlich gross werden.
Da die im Supraleiter erzeugten Magnetfelder die gleiche polaritat haben wie das sie umgebende, und sich gleiche Pole abstossen, schwebt nun der Supraleiter.

MfG Peter(TOO)

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Da die im Supraleiter erzeugten Magnetfelder die gleiche
polaritat haben wie das sie umgebende, und sich gleiche Pole
abstossen, schwebt nun der Supraleiter.

Also das interessiert mich jetzt doch. Könnte das mit dem Schweben jemand nochmal genauer erläutern? Welche Felder stoßen sich ab?

Florian

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Also: Supraleiter wird ins Magnetfeld bewegt -> Elektronen geraten in Bewegung -> Strom fließt -> Supraleiter baut eigenes Magnetfeld auf -> stößt sich mit dem ersten Magnetfeld ab -> schwebt.
Die Energie dazu kommt aus der Bewegung des Supraleiters durch das erste Magnetfeld. Das ganze funktioniert nämlich auch mit Permanentmagneten als induzierendes Magnetfeld. Zum Schweben selber ist keine Energie mehr nötig, da der Strom verlustlos fließt.
cu
Rüdiger

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Dauermagnet
HM. Wenn ich das mit der Auskunft von Stefan Wiese kobiniere bekomme ich trotzdem irgendwie Sorgen um die Energiererhaltung.

Halte ich also meinen Supraleiter in das Feld eines Dauermagneten
und kuehle ihn ab, so muesste er ja auch anfangen zu schweben - ohne dass er in das Feld bewegt worden waere, d.h. indem er dem
Feld des Deuermagneten Energie entzieht. Wird dieser dann dadurch
(leicht) entmagnetisiert ? Bzw, wenn ich einen normalen Leiter in das Feld bringe und wie beschrieben die Elektronen mit dem Gitter kollidieren, wird die so gewonnene Waerme-Energie dem Feld entzogen - oder der Umgebungstemperatur (die ja fuer das Schwingend der Elektronen verantwortlich war) oder woher ?

Schon mal Danke fuer alle bisherigen Antworten
Martin

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8

Das Magnetfeld des Dauermagneten besitzt eine bestimmte Energie. Wenn der Supraleiter seine Sprungtemperatur erreicht, wird ein Teil dieses Feldes verdrängt. Für den Dauermagneten bedeutet das, daß das Magnetfeld an Volumen und Feldstärke verliert, weil auch der magnetische Widerstand für den magn. Fluß größer wird. Dadurch reduziert sich die Gesamtenergie des Feldes. Der Differenzbetrag kann dann in mechanische Hubarbeit umgewandelt werden.

Jörg

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9

HM. Wenn ich das mit der Auskunft von Stefan Wiese kobiniere
bekomme ich trotzdem irgendwie Sorgen um die
Energiererhaltung.

Halte ich also meinen Supraleiter in das Feld eines
Dauermagneten
und kuehle ihn ab, so muesste er ja auch anfangen zu schweben

  • ohne dass er in das Feld bewegt worden waere, d.h. indem er
    dem
    Feld des Deuermagneten Energie entzieht. Wird dieser dann
    dadurch
    (leicht) entmagnetisiert ? Bzw, wenn ich einen normalen Leiter
    in das Feld bringe und wie beschrieben die Elektronen mit dem
    Gitter kollidieren, wird die so gewonnene Waerme-Energie dem
    Feld entzogen - oder der Umgebungstemperatur (die ja fuer das
    Schwingend der Elektronen verantwortlich war) oder woher ?

Schon mal Danke fuer alle bisherigen Antworten
Martin

Hi Martin
ich weiß nicht, ob der Supraleiter ohne die Bewegung schweben würde. Bei einem normalen Leiter tut sich jedenfalls ohne Bewegung nichts, es sei denn, das induziernde Magntfeld ist veränderlich (wie beim Elektromotor).
Ich glaube auch nicht, daß der Permanentmagnet irgendwie verändert wird. Nach dem Versuch dürfte das Magnetfeld genauso stark sein wie vorher. Ich meine daher, die Energie zum „Anstoßen“ des Stromflusses kommt nur aus der Bewegung, d.h. der Leiter wird etwas abgebremst (Prinzip Wirbelstrombremse in Zügen).
Wahrscheinlich wird der Supraleiter nicht angehoben, wenn er bei Abkühlung völlig bewegungslos auf dem Magneten liegt.
Im Prinzip braucht der Supraleiter zum Schweben selber keinerlei Energie. Zwei sich abstoßende Permanentmagnete fallen ja auch nicht nach einiger Zeit in sich zusammen, wenn das Magnetfeld „aufgebraucht“ ist.
Grüße aus FFM
Rüdiger

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Hi Martin
ich weiß nicht, ob der Supraleiter ohne die Bewegung schweben
würde. Bei einem normalen Leiter tut sich jedenfalls ohne
Bewegung nichts, es sei denn, das induziernde Magntfeld ist
veränderlich (wie beim Elektromotor).

Ein Supraleiter ist kein „normaler“ Leiter. Er verdrängt das Magnetfeld auch dann, wenn er in einem bereits vorhandenen Magnetfeld unter die Sprungtemperatur abgekühlt wird.

Ich glaube auch nicht, daß der Permanentmagnet irgendwie
verändert wird. Nach dem Versuch dürfte das Magnetfeld genauso
stark sein wie vorher.

Das Magnetfeld des Permanentmagneten wird sehr wohl durch die Anwesenheit des Supraleiters geschwächt, selbst wenn es punktuell zu höheren Feldstärken kommen kann.

Ich meine daher, die Energie zum
„Anstoßen“ des Stromflusses kommt nur aus der Bewegung, d.h.
der Leiter wird etwas abgebremst (Prinzip Wirbelstrombremse in
Zügen).

Wenn der Supraleiter beim Abkühlen auf dem Magnet liegt, gibt es keine Bewegungsenergie. Die einzige verwertbare Energie befindet sich im Magnetfeld

Wahrscheinlich wird der Supraleiter nicht angehoben, wenn er
bei Abkühlung völlig bewegungslos auf dem Magneten liegt.

Und er bewegt sich doch, wie das Experiment zeigt.

Im Prinzip braucht der Supraleiter zum Schweben selber
keinerlei Energie. Zwei sich abstoßende Permanentmagnete
fallen ja auch nicht nach einiger Zeit in sich zusammen, wenn
das Magnetfeld „aufgebraucht“ ist.

Natürlich nicht zum Schweben, aber zum Abheben. Das war, glaube ich, die Frage.

Jörg

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Hallo , dieser Effekt tritt auch auf bei Ringen aus Kupfer ( steht hier für einen guten Leiter ) , welche man auf einen Pol eines Magneten legen oder werfen will . Es findet eine sogenannte Gegeninduktion statt . Mechanische Energie ist hier für eine Induktion erforderlich . Da jedoch ein normales Metall einen elektrischen Widerstand aufweist , geht dieses induziertes Magnetfeld verloren , und es fällt (verzögert) doch herunter .
Das Problem ist nur , wie heißt der Effekt ?
Lorenz , Magnus ? Man kann in einem älteren Physikbuch dafür nachschauen , mach ich nachher für mich selber mal .
Mfg
Matthias

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Hallo Martin

Halte ich also meinen Supraleiter in das Feld eines
Dauermagneten
und kuehle ihn ab, so muesste er ja auch anfangen zu schweben

  • ohne dass er in das Feld bewegt worden waere, d.h. indem er
    dem
    Feld des Deuermagneten Energie entzieht. Wird dieser dann
    dadurch
    (leicht) entmagnetisiert ? Bzw, wenn ich einen normalen Leiter
    in das Feld bringe und wie beschrieben die Elektronen mit dem
    Gitter kollidieren, wird die so gewonnene Waerme-Energie dem
    Feld entzogen - oder der Umgebungstemperatur (die ja fuer das
    Schwingend der Elektronen verantwortlich war) oder woher ?
  1. Beim Supraleiter kollidieren die Eletronen eben NICHT, sonst wärs ja keiner!
  2. Beim normalen Leiter wird die Energie nicht dem Magnetfeld, sonder aus der Bewegung gewonnen. Nimm mal einen kleinen Gleichstrom-Elektomotor und drehe in, dann schliesse die Anschlüsse kurz und dreh nochmal. Du wirst feststellen, dass er sich im 2. Fall schwerer zu drehen ist.
  3. Die Temperatur wird nicht durch die Bewegung der Elektronen, die bewegen sich auch noch bei 0 K, sondern durch die bewegung der Atomkerne definiert.

MfG Peter(TOO)

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Hallo Jörg

Das Magnetfeld des Permanentmagneten wird sehr wohl durch die
Anwesenheit des Supraleiters geschwächt, selbst wenn es
punktuell zu höheren Feldstärken kommen kann.

Wenn der Supraleiter beim Abkühlen auf dem Magnet liegt, gibt
es keine Bewegungsenergie. Die einzige verwertbare Energie
befindet sich im Magnetfeld

Klingt ja soweit alles ganz plausibel, aber was pasiert den nun nach sagen wir 1000 Experimenten mit dem Dauermagneten? Ist sein Magnetfeld schwächer? Schließlich habe ich `ne Menge Energie zum Anheben der 1000 Supraleiterkügelchen entzogen. Oder wird die Energie beim Wegnehmen der Kügelchen aus dem Schwebezustand irgendwie wieder zurückgegeben?
cu
Rüdiger

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Da habe ich wohl etwas zu schnell geschrieben.
Das über die Energiebilanz gesagte gilt nur bei anziehenden Kräften. Bei abstoßenden Kräften, wie beim Supraleiter, muß ich Energie aufbringen, um den Körper in das Feld zu bringen. Folglich nimmt die Magnetfeldenergie insgesamt zu. Das Feld wird zwar verdrängt, aber die Feldliniendichte bzw. Flußdichte zwischen Supraleiter und Magnet erhöht sich. Da die Energiedichte des Feldes mit dem Quadrat der Flußdichte wächst, muß das zu einer Energieerhöhung des Feldes führen. Das Feld wirkt dabei wie ein Energiespeicher, ähnliche einer Feder.
Damit wäre natürlich die ursprüngliche Frage wieder offen, denn zur Verdrängung des Feldes beim Erreichen der Sprungtemperatur wäre dann Energie erforderlich. Die wird im Feld zwar zwischengespeichert und in Hubarbeit umgewandelt, aber ursprünglich muß sie woanders herkommen. Ich gebe die Frage dann an die Tieftemperaturspezialisten weiter.

Jörg

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Hallo Rüdiger,
gut, daß Du gefragt hast, sonst hätte ich den Fehler in meinem Postin weiter oben nicht bemerkt. Das Magnetfeld des Dauermagneten wirkt wie ein Energiespeicher. Ich kann Energie reinstecken, indem ich es zusammendrücke (verdränge) wie eine Feder. Diese Energie kann dann wieder in Bewegungsenergie umgesetzt werden.
Wenn ich den Magnet in einem Bereich betreibe, in dem keine irreversible Entmagnetisierung stattfindet, kann ich den Versuch beliebig oft wiederholen. Da die Kräfte ja abstoßend sind, wird sogar noch ein bischen Energie frei, wenn ich die schwebenden Kügelchen aus dem Feld nehme.
Demnach müßte es möglich sein, nach diesem Prinzip eine Wärmekraftmaschine zu bauen:
Der Supraleiter kühlt im Magnetfeld ab, verdrängt das Feld und wird abgestoßen. Danach erwärmt er sich und kann langsam wieder in das Feld zurückgeführt werden.
Aus diesen Überlegungen würde ich schließen, daß bei diesem Prozeß thermische Energie umgesetzt wird. Leider habe ich keine Möglichkeit, solche Experimente selbst durchzuführen, also muß ich die endgültige Beantwortung Deiner Frage jemand anderem überlassen.

Jörg

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Muß der Supraleiter ständig bewegt werden um schweben zu können?
Ich nehme einfach mal an, daß hier mit Gleichstrom gearbeitet wird. Wenn man ein Wechselfeld hätte, könnte die Bewegung doch eigentlich wegfallen, oder ( vielleicht habe ich jetzt totalen Mist geschrieben ).

Interessant wird’s finde ich momentan dann, wenn man die Möglichkeit eines Supraleiters bei Zimmertemperatur in Betracht zieht ( metallischer Wasserstoff - kein elektrischer Widerstand ).

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Muß der Supraleiter ständig bewegt werden um schweben zu
können?

Nein, muß er nicht, das ist ja das besondere.

Ich nehme einfach mal an, daß hier mit Gleichstrom gearbeitet
wird. Wenn man ein Wechselfeld hätte, könnte die Bewegung doch
eigentlich wegfallen, oder ( vielleicht habe ich jetzt totalen
Mist geschrieben ).

Mit einem Wechselfeld funktioniert das tatsächlich auch bei Zimmertemperatur, allerdings nur mit hohem Leistungsaufwand.

Jörg