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1 SUPRALEITUNG K.Conder LDM ETH/PSI. 2 Isolator Halbleiter Leiter Supraleiter.

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1 1 SUPRALEITUNG K.Conder LDM ETH/PSI

2 2 Isolator Halbleiter Leiter Supraleiter

3 3 Temperatur Widerstand Kelvin (1902) Matthiessen (1864) Dewar (1904) Elektrische Widerstand bei tiefen Temperaturen Kelvin: die Elektronen werden „eingefroren“ und der Widerstand 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.

4 4 Supraleitung-die Entdeckung Verflüssigung von Helium (4K) Supraleitung in Hg T C =4.2K (1911) „ 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) Widerstand R=0 unterhalb von T C ; (R<  cm, mal kleiner als für Cu)

5 5 Leiter und Supraleiter In einigen Materialien fällt beim Abkühlen der Elektrische Widerstand sprungartig auf Null Widerstand <  cm Verunreinigungen und Gitterdefekte sind verantwortlich für einen Restwiderstand Der elektrische Widerstand von Metallen nimmt mit sinkender Temperatur ab

6 6 Weitere Entdeckungen 1986 (Januar): Hochtemperatur- Supraleiter (LaBa) 2 CuO 4 T C =35K K.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon) (Nobelpreis 1987) 1987 (Januar): YBa 2 Cu 3 O 7-x T C =93K 1987 (Dezember): Bi-Sr-Ca-Cu-O T C =110K, 1988 (Januar): Tl-Ba-Ca-Cu-O T C =125K 1993: Hg-Ba-Ca-Cu-O T C =133K (A. Schilling, H. Ott, ETH Zürich) : “Tieftemperatur-Supraleiter” Höchste T C =23K für Nb 3 Ge

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9 9 Fundamentale Eigenschaften R=0 unterhalb T C T c(onset) =94K T c(R=0) =78K Ein induzierter Strom im Ring aus einem Supraleiter floss ohne messbare Verminderung während zweieinhalb Jahre!!!

10 10 Der Strom kann Jahre fliessen!! Nullwiderstand Tiefe Temperaturen: LN C (77K)

11 11 Ein Supraleiter ist ein perfekter Diamagnet d.h. verdrängt vollständig ein Magnetfeld aus seinem Inneren W. Meissner, R. Ochsenfeld (1933). An der Oberfläche des Supraleiter (T

12 12 Der Meissner-Effekt II Ein Magnet schwebt (lewitiert) über einem Supraleiter.

13 13

14 14 Ein Metall in einem Magnetfeld

15 15 Ein perfekter Leiter

16 16 Supraleiter

17 17 Was war zuerst das Ei oder das Huhn? Ein perfekter Leiter Der Meissner-Effekt Die Abchirmströme fliessen ohne Energieverluste! Widerstand muss Null sein!!!

18 18 Beiträge zur spezifischen Wärme liefern Phononen und Elektronen. Im normalleitenden Zustand ist: c Phononen ~T³ und c Elektronen ~T Spezifische Wärme Nach dem Übergang zur Supraleitung gilt: c Elektronen ~exp(-C/T), was zu einem Sprung in der spezifischen Wärme führt. Temperatur Spezifische Wärme c Ph ~T³ c Ele ~T c EleS ~exp(-C/T) SL NL TCTC

19 19 Supraleitende Elemente Die ferromagnetischen Materialien sind nicht supraleitend Die guten Leiter (Ag, Cu, Au..) sind keine Supraleiter Nb zeigt das höchste T C = 9.2K aller Elemente

20 20 Supraleitende Verbindungen Fullerene C 60 Elementarzelle von Cs 2 RbC 60 Rb Cs VerbindungT C [K] Nb 3 Sn18 Nb 3 Ge23 NbO2 Na x WO 3 6 BaPb 1-x Bi x O 3 12 PbMo 6 S 8 15 (LaSr) 2 CuO 4 36 YBa 2 Cu 3 O 7-x 93 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x 135 K 3 C Cs 2 RbC 60 33

21 21 Nb 3 Ge (T C =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)

22 22 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 eine Distanz von ~10 4 Å zurücklegen. Das zweite Elektron wird angezogen ohne die Abstossungskraft des ersten Elektrons zu spüren. Phononenfrequenz ~10 12 Hz, Elektron Gesch. ~10 8 cm/s. (Licht 3·10 10 cm/s)

23 23 Cooper-Paare. BCS Theorie. I Quantenmechanische 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.

24 24 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.

25 25 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 halbzähligem Spin (z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen..) Das Pauli-Verbot -jeder Energiezustand wird nur mit zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins besetzt.

26 26 Bose-Einstein Kondensation

27 27 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 im Ruhestand, 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).

28 28 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. T C ~M -  Für viele Tieftemperatur- Supraleiter  =0.5

29 29 BCS Theorie: Spezifische Wärme Für die Supraleiter: c Elektronen ~exp(-  /kT), 2  =E g – Energielücke. Bindungsenergie der Cooper- Paare. Temperatur Spezifische Wärme c EleS ~exp(-  /kT) SL NL TCTC In BCS Theorie: 2  =3.5kT C 1eV entspricht einer Temp. ~12000K T c <20K E g ~1meV T c ~100K E g ~5meV (E g  1.2eV für Si) 2  =E g EFEF Cooper- Paare

30 30 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.

31 31 Phänomenologische Theorie. London-Gleichungen Die Beweglichkeit der Elektronen im elektrischen Feld dJ/dt=E·n·e 2 /m Erste Londonsche Gleichung Beschreibt Wiederstandlosesbehalten von Supraleitern: dJ/dt~E. Die Stromdichte J kann unendlich wachsen! Zweite Londonsche Gleichung In einem Supraleiterinneren ist B=0. Das Magnetfeld kann nur teilweise in den Supraleiter eindringen (Oberflächeneffekt). m- Ladungsträgermasse n- Ladungsträgerdichte e- Ladung E- Elektrisches Feld

32 32 Eindringtiefe bezeichnet die Stelle, wo B(x) auf den e-ten Teil des Oberflächenwertes abgefallen ist.

33 33 Kohärenzlänge Die Kohärenzlänge bezeichnet den Abstand zwischen den beiden Ladungsträger eines Cooper-Paares.  GL ISL x<  GL Die Kohärenzlänge bezeichnet die grösste nichtsupraleitende Strecke die Cooper-Paare durchtunneln können.

34 34 Josephsoneffekt: M-I-M. Tunneleffekt I V INL Ohmscher Kontakt V=0 V>0 N 1 (E) N 2 (E) Metall-Isolator-Metall EFEF V Legt 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 35 Josephsoneffekt: M-I-SL I V INL SL T>T C T=0  /e V>  /e N 1 (E) N 2 (E) Metall-Isolator-Supraleiter 22 V=0 EFEF V Wen das angelegte Potenzial grösser als  /e ist so können die Metall-Elektronen in das Energieband oberhalb der Lücke durchtunneln. Die Strom-Spannungs Charakteristik ist nicht mehr linear.

36 36 Josephsoneffekt: SL-I-SL I V ISL 2  /e I0I0 x T=0 T>T C 22 N 1 (E) N 2 (E) V=0 EFEF V>2  /e Supraleiter-Isolator-Supraleiter V Mit einer Erhöhung der Spannung könnte man ähnliche Tunneleffekte wie beim Metall-Isolator-Supraleiter Übergang erreichen.  GL > x Tunneleffekt. Cooper-Paare können die Isolatorbarriere durchtunneln (unterhalb vom Kritischen Strom I 0 )

37 37 Ginzburg-Landau Parameter  = /  GL T c [nm]  [nm]  Al Sn Pb  <1/  2=0.71 Supraleiter Typ I T c [nm]  [nm]  Nb Nb 3 Sn YBa 2 Cu 3 O Rb 3 C Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O  >0.71 Supraleiter Typ II

38 38 Supraleiter Typ I ( /  GL <0.71) im äusseren Magnetfeld B i =B a +  0 M Supraleiter B i =0 Normalleiter B i =B a Negative Einheiten ! Das Feld im Inneren des Supraleiters Das Feld, welches im Supraleiter aufgebaut wird, um das äussere Feld zu kompensieren Äusseres Magnetfeld

39 39 Supraleiter Typ II im äusseren Magnetfeld Flussliniengitter (vortex) in einem Typ-II-Supraleiter. Jede magnetische Flusslinie trägt ein elementares Flussquantum:  0 =h/2e  2.07· Tm 2 B i =B a +  0 M

40 40 Supraleiter Typ II. Die Struktur der Flusschläuche Der Durchmesser der Flussschläuchen entspricht der Kohärenzlänge Im Inneren sind die Flussschläuchen nicht supraleitend und das Magnetfeld kann sie durchdringen Ein Supraleitender Strom fliesst um jeden Flussschlauch Eindringtiefe Kohärenzlänge

41 41 Tieftemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm STM (Scanning Tunneling Microscopy) Aufnahme des Abrikosov-Gitters in NbSe 2 H. Hess, R.B. Robinson, and J.V. Waszczak, Physica B 169 (1991) 422

42 42 Typ II Typ I

43 43 Wechselwirkung der Flusslinien mit dem Strom In einem idealen Typ-II-Supraleiter übt ein elektrischer Strom eine Lorenzkraft auf die Flusslinien aus. Die Driftbewegung der Flussschläuche verbraucht Energie und verursacht einen elektrischen Widerstand. F L =j  0 F L -Lorenzkraft j-Stromdichte  0 -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 j C nicht überschreitet.

44 44 Hochtemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm Ein HTSL zeigt zwei Bereiche der gemischten (FL-Flusslinien) Phase: FL-Festkörper im Bereich B c1 (T)

45 45 Irreversibility lines for some of the most important HTS materials

46 46 HTSL. Widerstandsmessungen Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+x T c =95K Huse, Fisher&Fisher, Nature, 358 (1992) 553

47 47 Hochtemperatur-Supraleiter 1986 : Bednorz and Muller discovery of new class of materials: cuprate (Cu oxides): Ba-La-Cu-O 1987 YBCO (Y-Ba-Cu-O) T c = 93K Bc2  130 T 1988: BSCCO (Ba-Sr-Ca-Cu-O) 110 K HTc compounds have layered, strongly anisotropic perovskite structure

48 48 Perovskite ABX 3 X=O 2-, F -, Cl - ) A=alkali, alkali-earth and rare- earth metals, B=transition metals (also Si, Al, Ge, Ga, Bi, Pb…) Perovskite is named for a Russian mineralogist, Count Lev Aleksevich von Perovski. The mineral (CaTiO 3 ) was discovered and named by Gustav Rose in 1839 from samples found in the Ural Mountains. X A B

49 49 Size effects Ionic radii are available from: R.D. Shannon, Acta Cryst. A32 (1976) orthorhombic (GdFeO 3 ) cubic (SrTiO 3 ) hexagonal (BaNiO 3 ) GdFeO 3 (t=0.81) BaNiO 3 (t=1.13) t

50 50 d 1 perovskites SrVO 3 metal CaVO 3 metal LaTiO 3 insulator gap 0.2eV YTiO 3 insulator gap 1.0 eV

51 51 Ruddlesden-Popper structures for n = 1, 2 and 3 Brownmillerite Layered perovskites (CaO) 4 (Al 2 O 3 )(Fe 2 O 3 ) Al/Fe Ca

52 52 Hochtemperatur-Supraleiter. La 2-x Sr x CuO 4 La, Sr Cu O 2SrO  2Sr ‘ La + 2O x O + V  O V  O + 0.5O 2  O x O + 2h  (LaBa) 2 CuO 4 T C =35K K.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon 1986 )

53 53 CuO 2 -Ebenen 5fache Cu Koordination CuO-Ketten 4fache Cu Koordination Hochtemperatur-Supraleiter. YBa 2 Cu 3 O 7-x BaO Y Perovskite “YBa 2 Cu 3 O 9 ”

54 54

55 55 X-Rays? Neutrons? Scattering length

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57 57 CO 2 YBa 2 Cu 3 O 6 Schmelze Phasenumwandlung BaCO 3 Die Synthese 0.5Y 2 O 3 + 2Ba 2 CO 3 + 3CuO + x/2O 2  YBa 2 Cu 3 O 6.5+x + 2CO 2 +  H Thermische Analyse

58 58 Sauerstoffgehaltanalyse: 2Cu 3+ + H 2 O  Cu O 2 + 2H + Jodometrie Wasserstoffreduktion YBa 2 Cu 3 O 6.5+x + 5H 2  0.5Y 2 O 3 + 2BaO + 3Cu +5H 2 O Widerstand und Magnetisierungsmessungen Röntgenanalyse. Phasenreinheit Charakterisierung

59 59 Sauerstoffdoping in YBa 2 Cu 3 O 7-x TCTC Sauerstoffgehalt ist von der Temperatur (und Sauerstoffpartialdruck) abhängig

60 60 Schichtstruktur der YBa 2 Cu 3 O 7-x Leitende CuO 2 -Ebene Ladungsreservoir Leitende CuO 2 -Ebene Löcher Elektronen Löcher 2Cu O 2  2Cu 3+ +O 2- 2Cu x Cu + 0.5O 2  2Cu  Cu + O x O 2Cu  Cu  2Cu x Cu + 2h  Y BaO CuO CuO 2

61 61 YBa 2 Cu 3 O 7 T C =93 ab [Å] c [Å]  ab [Å]  c [Å] Schichtstruktur der YBa 2 Cu 3 O 7-x. Anisotropie 8.3Å 3.4Å Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 T C =110 ab [Å] c [Å]  ab [Å]  c [Å] Anisotrope Schichtstruktur. Die Cooper-Paare können nicht die Ladungsreservoirs durchtunneln. Für Einkristalle YBa 2 Cu 3 O 7 bei 4.2K j c(ab) ~10 7 A/cm 2, j c(c) ~10 5 A/cm 2 Einheitszelle

62 62 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O T C =110K Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O T C =95K Bi 2 Sr 2 CuO T C =20K Bi-Sr-Ca-Cu-O

63 63 Sauerstoffdotierung in Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+  (Bi2212) T. Schweizer, Diss ETH, No10167 (1993)

64 64 HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2 “Hg-12(n-1)n” T C für HgBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2 Hg-12(n-1)n CuO 2 -Ebenen Der Weltrekord 133K !!! ETH Zürich - A.Schilling, M.Cantoni, J.D. Guo, H.R.Ott, Nature, 362(1993)226

65 65 Hochtemperatur-Supraleiter. BSC Theorie? Isotopeneffekt ist sehr klein: YBa 2 Cu 3 O 6.96  T C  0.2K T C ~M -   (  o  0.02). Für die meisten LTSL  =0.5 Für HTSL T C  100K. In der BSC Theorie T C <30K Existiert die HTSL ausschliesslich in Cupratverbindungen?

66 66 MgB 2 Entdeckung Januar 2001 T C  39K –der höchste Wert für einen nicht oxidischen Supraleiter! Mg B - Schichten wie im Graphit

67 67 SmT C =55K April, 2008

68 68 USO U nidentified S uperconducting O bject

69 69 Symmetrisch: Cu 1+, Cu 3+ Mn 4+ Ni 2+, Co 3+, Cr 3+ Nicht symmetrisch (Jahn-Teller Deformation): Cu 2+ Mn 3+ Ni 3+, Co 2+, Cr 2+ Hochtemperatur-Supraleiter. Jahn-Teller Polaronen?

70 70 T c  Kritische Temperatur über 77K J c  Hoche kritische Stromdichte B c  Hoche kritische Magnetfeldern $  Einfache Herstellung R  Gute mechanische Eigenschaften   Keine (kleine) Giftigkeit Technische Anforderungen

71 71 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“

72 72 HTSL- Giftigkeit HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 HgBa 2 CuO 4 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 1 0 Pb 0.5 Cd 0.5 Sr 2 Y 0.5 Ca 0.5 Cu 2 O 7 Pb 2 Sr 2 Y 0.5 Ca 0.5 Cu 3 O 8 YBa 2 Cu 3 O 7 La 1.85 Sr 0.15 CuO 4 As 2 O 3 CdO LD 50 - 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

73 73 YBaCuO- Dünnfilm Dünnfilme

74 74 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 O 2 (Sauerstoffstöchiometrie wird eingestellt) Foliengiessverfahren Supraleiter-Folien (aus ethanolhaltigen Schlicker) werden auf einem Substrat (Ag oder MgO) schmelzprozessiert. D. Buhl, Diss ETH No (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

75 75 Drähte und Bänder. Die Herstellung American Superconductor Extrusion Abfüllen in Silberröhrchen und Schweissen Extrusion Walzen und Erhitzen bei o C c ab

76 76 Anwendungen. Drähte und Bänder Querschnitte von HTSL Bänder American Superconductor Corporation HTSL Kabel

77 Kritischer Strom [kA/cm 2 ] Die Entwicklung der Kritischen Stromdichte. Messungen für Bi-2223 Bänder bei 77K. J.Tallon, Physics World, March 2000 Drähte und Bänder. Kritische Stromdichte

78 78

79 79 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.

80 80 SQUID sensitivity Single Flux Quantum  0 =h/2e  2.07· Tm 2 Magnetic field of heart: T Magnetic field of brain: T Magnetic field of earth:  T

81 81 Anwendungen. Medizin und Wissenschaft MRI Magnetic Resonance Imaging Die Atomkerne mit Spin  0 (z.B. H in H 2 O) besitzen magnetische Momente. Die können in grossen Magnetfeldern beobachtet werden. Ein MRI-Bild des menschliches Gelenk gemacht mit: a. Cu-Spulle bei RT b. Ag-Spulle c. Supraleiter bei 77K

82 82 Anwendungen. Elektronik Mikrowellenfilter aus YBa 2 Cu 3 O 7. 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, s) Sehr hohe Schaltungsfrequenz ist möglich. Vom: C.Gough, Phys.Educ. 33(1998)38

83 83 Anwendungen. Industrie MagLev – Züge (magnetic levitation) SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage Es 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.

84 84 LN 2

85 85 Resistiver 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.

86 86 Induktiver Strombegrenzer Der Eisenkern wird durch einen Supraleiter vom Magnetfeld abgeschirmt. Die Selbstinduktion in der Primärwicklung ist deshalb sehr klein (die Impedanz des Begrenzers ist Null). Beim Kurzschluss, wird das Magnetfeld grösser als B C (kritisches Feld) des Supraleiters. Der Eisenkern wird magnetisiert das wieder entgegengesetzter Strom in der Primärwicklung induziert (die Impedanz steigt fach). Die Energie wird vom Eisen absorbiert und als Wärme abgegeben.

87 87 Induktiver Strombegrenzer II Fault current Limited current Normal current ABB hat zwei Anlagen im Langzeittest: Strombegrenzen im Kraftwerk Löntsch GL (seit 1996) Transformator in Genf

88 88

89 89 The End


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