Supraleitung (eBook)

Grundlagen und Anwendungen

Reinhold Kleiner, Werner Buckel (Autoren)

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2024 | 8. Auflage
1022 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-84065-6 (ISBN)

Infos

Supraleitung

Seit mehr als 50 Jahren das maßgebliche deutschsprachige Lehrbuch zur Supraleitung

Supraleitung, also das Verschwinden des elektrischen Widerstands in Materialien unterhalb einer kritischen Temperatur, ist längst kein Kuriosum mehr, sondern ein Phänomen, das zahlreiche Anwendungen gefunden hat, etwa zur Erzeugung und Detektion von Magnetfeldern, in der Sensorik (SQUIDs), zur zerstörungsfreien Materialprüfung, in Energietransport und -umwandlung und in der magnetischen Energiespeicherung.

Die achte Auflage des Standard-Lehrbuchs zur Supraleitung folgt dem bewährten Ansatz, das physikalische Phänomen der Supraleitung in seinen zahlreichen Facetten möglichst anschaulich und ohne allzu viel mathematischen Ballast zu erklären. Ausgehend von einem Überblick über die wichtigsten, zum Verständnis benötigen quantenmechanischen Grundlagen behandelt das Buch die unterschiedlichen Supraleiter-Materialklassen, etwa die metallischen Supraleiter, Kuprate und Eisenpniktide. Die Schwerpunkte liegen dabei auf den Eigenschaften, der Herstellung und der Stabilität dieser Materialien. Die folgenden Kapitel beleuchten die Erklärungsmodelle der Supraleitung, die Thermodynamik des supraleitenden Zustands sowie dessen Zusammenbrechen. Ausführlich geht das Buch auf die für den praktischen Nutzen so wichtigen Josephson-Kontakte ein. Das letzte Kapitel widmet sich den zahlreichen Anwendungen der Supraleitung, zum Beispiel supraleitende Kabel, in der Kernspintomographie, der Kernfusion, der SQUID-Sensorik sowie der Mikroelektronik.

Für die Neuauflage wurde das Buch vollständig überarbeitet und mit Elementen angereichert, die das Verständnis fördern und das Lernen erleichtern wie etwa Kapiteleinführungen, Exkurse zur Messmethodik, mehr durchgerechnete Beispiele, Boxen zur Vertiefung weiterführender Aspekte und Kapitelzusammenfassungen.

Reinhold Kleiner ist Professor für experimentelle Festkörperphysik an der Universität Tübingen. Er studierte Physik an der Technischen Universität München und beschäftigte sich in seiner Doktorarbeit mit Hochtemperatursupraleitern. Nach einem zweijährigen Aufenthalt an der University of California in Berkeley kehrte er nach Deutschland zurück. Seine Arbeitsgebiete umfassen Supraleitung und Magnetismus.

Professor Werner Buckel (1920-2003) hat in Erlangen und Göttingen studiert und folgte 1960 einem Ruf an die Technische Hochschule Karlsruhe. Dort verblieb er bis zu seiner Emeritierung 1985 mit einer Unterbrechung von drei Jahren, in denen er im Kernforschungszentrum Jülich das Institut für Supraleitung aufbaute. Neben vielen anderen verdienstvollen Tätigkeiten war er Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der European Physical Society sowie Mitglied der Heidelberger Akademie der Wissenschaften und der Leibniz-Sozietät Berlin.

Textauszug

1. Cover
2. Titelblatt
3. Urheberrechte
4. Vorwort zur 1. Auflage
5. Vorwort zur 8. Auflage
6. Einleitung
7. 1 Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern
   1. 1.1 Das Verschwinden des elektrischen Widerstands
      1. 1.1.1 Grundlegendes zum Widerstand von Metallen
      2. 1.1.2 Dauerströme im Supraleiter
   2. 1.2 Idealer Diamagnetismus, Flussschläuche und Flussquantisierung
      1. 1.2.1 Der ideale Leiter
      2. 1.2.2 Der ideale Diamagnetismus
      3. 1.2.3 Typ-I- und Typ-II-Supraleiter; Flussschläuche
      4. 1.2.4 Levitation in der Shubnikov-Phase
   3. 1.3 Die Flussquantisierung in supraleitenden Ringen und Hohlzylindern
   4. 1.4 Supraleitung: ein makroskopisches Quantenphänomen
      1. 1.4.1 Fluxoid- und Flussquantisierung
      2. 1.4.2 Der ideale Diamagnetismus
      3. 1.4.3 Warum gibt es Typ-I- und Typ-II-Supraleiter?
      4. 1.4.4 Widerstand null
   5. 1.5 Quanteninterferenzen
      1. 1.5.1 Allgemeines zu Interferenzen
      2. 1.5.2 Josephson-Ströme und die Josephson-Gleichungen
      3. 1.5.3 Zeitliche Quanteninterferenz: Beobachtung des Josephson-Wechselstroms
      4. 1.5.4 Räumliche Quanteninterferenzen im Magnetfeld
         1. 1.5.4.1 Der supraleitende Quanteninterferenzdetektor
         2. 1.5.4.2 Quanteninterferenz im Josephson-Kontakt
   6. Zusammenfassung
   7. Literatur zu Kapitel 1
8. 2 Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen
   1. 2.1 Vorbemerkungen
      1. 2.1.1 Entdeckung, Herstellung und Charakterisierung von neuen Supraleitern
      2. 2.1.2 Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter
   2. 2.2 Supraleitende Elemente
   3. 2.3 Die supraleitenden Hydride
   4. 2.4 Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen
      1. 2.4.1 Die β-Wolframstruktur
      2. 2.4.2 Magnesiumdiborid
   5. 2.5 Fulleride
   6. 2.6 Chevrel-Phasen und Borkarbide
   7. 2.7 Schwere-Fermionen-Supraleiter
   8. 2.8 Natürliche und künstliche Schichtsupraleiter
   9. 2.9 Die supraleitenden Oxide
      1. 2.9.1 Kuprate
      2. 2.9.2 Wismutate, Ruthenate, Nickelate und andere oxidische Supraleiter
   10. 2.10 Eisenpniktide und verwandte Verbindungen
   11. 2.11 Organische Supraleiter
   12. 2.12 Supraleitung an Grenzflächen
   13. 2.13 Graphenbasierte Supraleitung
   14. Zusammenfassung
   15. Literatur zu Kapitel 2
9. 3 Die Cooper-Paarung
   1. 3.1 Konventionelle Supraleitung
      1. 3.1.1 Cooper-Paarung durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung
      2. 3.1.2 Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie
      3. 3.1.3 Experimente zur unmittelbaren Bestätigung der Grundvorstellungen über den supraleitenden Zustand
         1. 3.1.3.1 Der Isotopeneffekt
         2. 3.1.3.2 Die Energielücke
         3. 3.1.3.3 Tunnelspektroskopie
      4. 3.1.4 Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter
   2. 3.2 Unkonventionelle Supraleitung
      1. 3.2.1 Allgemeine Gesichtspunkte: Wie erkennt man (un)konventionelle Supraleiter?
      2. 3.2.2 Kupratsupraleiter
         1. 3.2.2.1 Einleitende Betrachtungen
         2. 3.2.2.2 Amplitudensensitive Experimente zur Symmetrie des Ordnungsparameters
         3. 3.2.2.3 Phasensensitive Experimente zur Symmetrie des Ordnungsparameters
      3. 3.2.3 Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle Supraleiter
      4. 3.2.4 FFLO-Zustand und Mehrbandsupraleitung
   3. Literatur zu Kapitel 3
10. 4 Thermodynamik und thermische Eigenschaften des supraleitenden Zustands
    1. 4.1 Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik
    2. 4.2 Die spezifische Wärme
    3. 4.3 Die Wärmeleitfähigkeit
    4. 4.4 Grundzüge der Ginzburg-Landau-Theorie
    5. 4.5 Die charakteristischen Längen der Ginzburg-Landau-Theorie
    6. 4.6 Typ-I-Supraleiter im Magnetfeld
       1. 4.6.1 Das kritische Feld und die Magnetisierung stabförmiger Proben
          1. 4.6.1.1 Magnetisierungskurven
          2. 4.6.1.2 Gibbs-Funktion und kritisches Magnetfeld
       2. 4.6.2 Die Thermodynamik des Meißner-Zustands
          1. 4.6.2.1 Differenz der Entropien im Normal- und Suprazustand
          2. 4.6.2.2 Differenz der spezifischen Wärmen im Normal- und Suprazustand
       3. 4.6.3 Kritisches Magnetfeld dünner Schichten in einem Feld parallel zur Oberfläche
       4. 4.6.4 Der Zwischenzustand
       5. 4.6.5 Die Phasengrenzenergie
       6. 4.6.6 Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand
    7. 4.7 Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld
       1. 4.7.1 Vorbemerkungen
       2. 4.7.2 Magnetisierungskurven und kritische Felder
       3. 4.7.3 Die Shubnikov-Phase
    8. 4.8 Fluktuationen und Zustände außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts
    9. Zusammenfassung
    10. Literatur zu Kapitel 4
11. 5 Kritische Ströme in Supraleitern erster und zweiter Art
    1. 5.1 Die Begrenzung des Suprastroms durch Paarbrechung
    2. 5.2 Typ-I-Supraleiter
    3. 5.3 Typ-II-Supraleiter
       1. 5.3.1 Ideale Typ-II-Supraleiter
       2. 5.3.2 Harte Supraleiter
          1. 5.3.2.1 Die Verankerung von Flussschläuchen
          2. 5.3.2.2 Die Magnetisierungskurven von harten Supraleitern
          3. 5.3.2.3 Kritische Ströme und Strom-Spannungs-Kennlinien
    4. Zusammenfassung
    5. Literatur zu Kapitel 5
12. 6 Josephson-Kontakte und ihre Eigenschaften
    1. 6.1 Stromtransport über Grenzflächen im Supraleiter
       1. 6.1.1 Supraleiter-Isolator-Grenzflächen
       2. 6.1.2 Supraleiter-Normalleiter-Grenzflächen
       3. 6.1.3 Supraleiter-Ferromagnet-Grenzflächen
    2. 6.2 Das RCSJ-Modell
    3. 6.3 Josephson-Kontakte unter Mikrowelleneinstrahlung
    4. 6.4 Flusswirbel in ausgedehnten Josephson-Kontakten
       1. 6.4.1 Sinus-Gordon-Gleichung
       2. 6.4.2 Plasmawellen und Fluxonen
       3. 6.4.3 Fiske-Stufen
       4. 6.4.4 Nullfeldstufen
       5. 6.4.5 Flux-Flow-Stufen
    5. 6.5 Makroskopische Quanteneffekte in Josephson-Kontakten und verwandten Systemen
       1. 6.5.1 Coulomb-Blockade und Tunneln einzelner Ladungen
       2. 6.5.2 Makroskopische Quantenkohärenz mit Josephson-Kontakten
       3. 6.5.3 Schaltkreis-Quantenelektrodynamik
    6. Zusammenfassung
    7. Referenzen zu Kapitel 6
13. 7 Anwendungen der Supraleitung
    1. 7.1 Supraleitende Magnetspulen
       1. 7.1.1 Allgemeine Aspekte
       2. 7.1.2 Supraleitende Drähte, Bänder und Kabel
       3. 7.1.3 Spulenschutz
    2. 7.2 Supraleitende Permanentmagnete
    3. 7.3 Anwendungen für supraleitende Magnetspulen
       1. 7.3.1 Kernspinresonanz
       2. 7.3.2 Kernspintomographie
       3. 7.3.3 Teilchenbeschleuniger
       4. 7.3.4 Kernfusion
       5. 7.3.5 Energiespeicher
       6. 7.3.6 Motoren und Generatoren
       7. 7.3.7 Magnetische Separatoren und Induktionsheizer
       8. 7.3.8 Schwebezüge
    4. 7.4 Supraleiter für die Leistungsübertragung: Kabel, Transformatoren und Strombegrenzer
       1. 7.4.1 Supraleitende Kabel
       2. 7.4.2 Transformatoren
       3. 7.4.3 Strombegrenzer
    5. 7.5 Supraleitende Resonatoren und Filter
       1. 7.5.1 Das Hochfrequenzverhalten von Supraleitern
       2. 7.5.2 Resonatoren für Teilchenbeschleuniger
       3. 7.5.3 Resonatoren und Filter für die Kommunikationstechnik
    6. 7.6 Supraleiter als Detektoren
       1. 7.6.1 Empfindlichkeit, thermisches Rauschen und Störeinflüsse
       2. 7.6.2 Inkohärente Strahlungs- und Teilchendetektion: Bolometer und Kalorimeter
       3. 7.6.3 Kohärente Strahlungsdetektion und -erzeugung: Mischer, Lokaloszillatoren und integrierte Empfänger
       4. 7.6.4 Quanteninterferometer als Magnetfeldsensoren
          1. 7.6.4.1 SQUID-Magnetometer: grundlegende Konzepte
          2. 7.6.4.2 Störsignale, Gradiometer und Abschirmungen
          3. 7.6.4.3 Anwendungen von SQUIDs
    7. 7.7 Supraleiter in der Mikroelektronik
       1. 7.7.1 Spannungsstandards
       2. 7.7.2 Digitalelektronik mit Josephson-Kontakten
       3. 7.7.3 Auf dem Weg zum Quantencomputer
    8. Zusammenfassung
    9. Literatur zu Kapitel 7
14. Stichwortverzeichnis
15. End User License...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 11.6.2024
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Atom- / Kern- / Molekularphysik
• Schlagworte: Elektronische Materialien • Elektrotechnik u. Elektronik • Festkörperphysik • Materialwissenschaften • Physik • Supraleiter • Supraleitung
• ISBN-10: 3-527-84065-6 / 3527840656
• ISBN-13: 978-3-527-84065-6 / 9783527840656