Werner Buckel, Reinhold Kleiner Supraleitung

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3 Werner Buckel, Reinhold Kleiner Supraleitung

4 Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema Mih ly, L., Martin, M. C Solid State Physics Problems and Solutions 2009 ISBN: Hofmann, P. Solid State Physics An Introduction 2008 ISBN: Wangler, T. P. RF Linear Accelerators 2008 ISBN: Fossheim, K., Sudboe, A. Superconductivity Physics and Applications 2004 ISBN:

5 Werner Buckel, Reinhold Kleiner Supraleitung Grundlagen und Anwendungen 7., aktualisierte und erweiterte Auflage

6 Autoren Prof. Dr. W. Buckel Prof. Dr. Reinhold Kleiner Universitåt TÅbingen Physikalisches Institut, Experimentalphysik II TÅbingen, Deutschland Titelbild Der Hochtemperatursupraleiter YBa 2 Cu 3 O 7 schwebt auf einem Magneten Fotografie: J. Nagel, M. Rudolph und M. Kemmler, Universitåt TÅbingen 7. aktualisierte und erweiterte Auflage 2013 Alle BÅcher von Wiley-VCH werden sorgfåltig erarbeitet. Dennoch Åbernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, får die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlågen sowie får eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung. Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet Åber abrufbar. c 2013 Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Boschstr. 12, Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Ûbersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache Åbertragen oder Åbersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dårfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschåtzte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Satz Hagedorn Kommunikation GmbH, Viernheim Druck und Bindung betz-druck GmbH, Darmstadt Umschlaggestaltung Schulz Grafik-Design, FußgÇnheim Printed in the Federal Republic of Germany Gedruckt auf såurefreiem Papier Print-ISBN: epdf ISBN: epub ISBN: mobi ISBN: obook ISBN:

7 Heike Kamerlingh-Onnes FÅr die freundliche Ûberlassung dieses Bildes danken wir Herrn Professor Dr. C. J. Gorter, Kamerlingh-Onnes Laboratorium, Leiden

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9 Vorwort zur 7. Auflage Acht Jahre sind seit der letzten Auflage dieses Buches vergangen, es war an der Zeit, den Text zu Åberarbeiten und auf neue Entwicklungen einzugehen. So wurde mit den Eisenpniktiden eine neue Klasse von Supraleitern gefunden, deren Entdeckung unter den Physikern fast so viel Aufruhr verursachte wie in den 1980er Jahren die Entdeckung der Kupratsupraleiter. Auch gab es eine Vielzahl interessanter Anwendungen, etwa im Bereich der supraleitenden Kabel und Magnete oder, mit den Quantenbits, im Bereich der Mikroelektronik. Um den Umfang des Buches einigermaßen im Rahmen zu halten, konnten aber bei weitem nicht alle Ergebnisse aufgenommen werden. Ich bitte dies zu entschuldigen. Wie auch in den vorangegangenen Auflagen steht weiterhin ganz im Sinne von Werner Buckel der Grundgedanke im Vordergrund, die Supraleitung auf mçglichst einfache Art darzustellen. So soll auch Nichtfachleuten einen Einblick in dieses nun 100 Jahre alte und nach wie vor spannende Gebiet gegeben werden. Mein herzlicher Dank gilt allen Kollegen, die mit vielen Vorschlågen und Tipps zur Neugestaltung des Buches beigetragen haben, insbesondere Frau Vera Palmer, Frau Ulrike Werner, sowie den Herren Harald Reiss, Paul Seidel und Peter Kes. Herrn Klaus Schlenga, Bruker EST, danke ich besonders får die Textgestaltung des Abschnitts Frau van BÅhl (Nexans), Frau Cheri Hart (AMSC), sowie den Herren Joachim Albrecht (Hochschule Aalen), Alexander Henning (Bruker ASC), Tom H. Johansen (Superconductivity Lab. der Universitåt Oslo), Hans Henning Klauss (TU Dresden), Hubertus LÅtkens (Paul Scherrer Institut), S. Mahieu (IRAM), Xiaofeng Qian (MIT), Daniel Schmickler (Zenergy GmbH und Fa. Converteam UK Ltd.), Wolfgang Schmidt (Siemens AG), Michael Strasik (Boeing), sowie dem CERN danke ich får die Ûberlassung unverçffentlichter Abbildungen. Den Herren Joachim Nagel, Matthias Rudolph und Matthias Kemmler (Physikalisches Institut der Universitåt TÅbingen), danke ich får die Erstellung des Titelbildes. TÅbingen, im Januar 2012 Reinhold Kleiner

10 Vorwort zur 1. Auflage Nahezu 5 Jahrzehnte konnte die Supraleitung nicht befriedigend gedeutet werden. Heute haben wir eine mikroskopische Theorie, die eine FÅlle von Erscheinungen erfaßt und zum Teil sogar quantitativ beschreibt. Damit ist das Phånomen Supraleitung zumindest im Prinzip verstanden. Mit dem Bau großer supraleitender Magnete hat die technische Auswertung der Supraleitung begonnen. Weitere Anwendungen in der Elektrotechnik, z. B. får die LeistungsÅbertragung, werden intensiv studiert. Auf einigen Gebieten der elektrischen Meßtechnik hat die Supraleitung durch eine Steigerung der Empfindlichkeit um einige GrÇßenordnungen, z. B. bei der Magnetfeldmessung, geradezu einen Durchbruch bewirkt. Damit wird das Interesse an dieser Erscheinung in Zukunft nicht auf den Physiker beschrånkt bleiben. Vielmehr werden mehr und mehr Ingenieure mit diesem Phånomen konfrontiert werden. Die Anwendungen werden auch dazu fåhren, daß die Supraleitung stårker in das Blickfeld der technisch interessierten Úffentlichkeit råckt. An alle diese interessierten»nichtfachleute«wendet sich die vorliegende EinfÅhrung in die Supraleitung. Es wird versucht, unsere Grundvorstellungen Åber die Supraleitung mçglichst anschaulich und unter bewußtem Verzicht auf mathematische Formulierungen darzustellen. Auf dem Hintergrund dieser Vorstellungen werden die vielfåltigen Erscheinungen diskutiert. Auch die Anwendungen werden dabei eingehend behandelt. NatÅrlich kann eine solche einfåhrende Darstellung nur eine begrenzte Auswahl von Ûberlegungen und Fakten bringen. Jede solche Auswahl muß notwendigerweise sehr subjektiv sein. Unter Verzicht auf viele Einzelheiten wurde versucht, ein mçglichst umfassendes Bild der Supraleitung und insbesondere ihrer Quantennatur zu geben. Dabei schien es nicht zweckmåßig, der historischen Entwicklung zu folgen. Vielmehr werden die Erscheinungen ihrem inneren Zusammenhang nach geordnet und behandelt. Zweifellos wird dabei viel hervorragende Pionierarbeit nicht entsprechend gewårdigt. Auch das Literaturverzeichnis gibt keineswegs einen repråsentativen Querschnitt der vielen tausend Arbeiten, die zum Thema Supraleitung erschienen sind. Es soll dem interessierten Leser lediglich einen Zugang zur Originalliteratur erçffnen. Im Åbrigen kann får Spezialfragen auf eine ganze Reihe hervorragender Monographien verwiesen werden.

11 Vorwort zur 1. Auflage IX Das Buch hat seinen Zweck erfållt, wenn es dazu beitragen kann, die Supraleitung einem weiteren Kreis von Interessierten nåher zu bringen. Vielleicht kann es daråber hinaus als kurze Zusammenfassung auch denen eine kleine Hilfe sein, die selbst Fragen der Supraleitung bearbeiten. Viele haben mich bei der Arbeit an diesem Buch dadurch tatkråftig unterståtzt, daß sie stets bereit waren, Åber alle auftauchenden Probleme mit mir eingehend zu diskutieren. Ihnen allen habe ich sehr zu danken. Ganz besonders danke ich meinem lieben Kollegen Falk, der unermådlich bereit war, meine Fragen zu beantworten und zu diskutieren. Herzlich zu danken habe ich meinen Mitarbeitern, sowohl in Karlsruhe als auch in JÅlich, unter ihnen besonders den Herren Dr. Baumann, Dr. Gey, Dr. Hasse, Dr. Kinder und Dr. Wittig. Den Herren Dr. Appleton (EEDIRDC), Dr. Schmeissner (CERN), Dr. Kirchner (MÅnchen); Prof. Rinderer (L.ausanne), Dr. Eßmann (Stuttgart) und Dr. Voigt (Erlangen) sowie den Firmen Siemens, Vakuumschmelze und General Electric mçchte ich sehr herzlich får die freundliche Ûberlassung von Bildern danken. Dem Physik Verlag bin ich får die angenehme Zusammenarbeit sehr verbunden. Besonders herzlich habe ich aber meiner lieben Frau zu danken, die mit großer Geduld ertragen hat, daß ich manche Abende und Sonntage ausschließlich mit der Arbeit an diesem Buch verbracht habe. JÅlich, im August 1971 Werner Buckel Werner Buckel

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13 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 7. Auflage Vorwort zur 1. Auflage VII VIII Einleitung 1 Literatur 9 1 Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern Das Verschwinden des elektrischen Widerstandes Diamagnetismus, Flussschlåuche und Flussquantisierung Flussquantisierung im supraleitenden Ring Supraleitung: ein makroskopisches Quantenphånomen Quanteninterferenzen JosephsonstrÇme Quanteninterferenzen im Magnetfeld 61 Literatur 74 2 Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen Vorbemerkungen Entdeckung, Herstellung und Charakterisierung von neuen Supraleitern Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter Supraleitende Elemente Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen Die b-wolfram-struktur Magnesium-Diborid Metall-Wasserstoff-Systeme Fulleride Chevrel-Phasen und Borkarbide Schwere-Fermionen-Supraleiter NatÅrliche und kånstliche Schichtsupraleiter Die supraleitenden Oxide Kuprate Wismutate, Ruthenate und andere oxidische Supraleiter Eisenpniktide und verwandte Verbindungen 107

14 XII Inhaltsverzeichnis 2.10 Organische Supraleiter Supraleitung an Grenzflåchen 112 Literatur Die Cooper-Paarung Konventionelle Supraleitung Cooper-Paarung durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie Experimente zur unmittelbaren Beståtigung der Grundvorstellungen Åber den supraleitenden Zustand Der Isotopeneffekt Die EnergielÅcke Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter Der Einfluss von GitterstÇrungen auf die konventionelle Cooper-Paarung Der Einfluss paramagnetischer Ionen auf die konventionelle Cooper-Paarung Unkonventionelle Supraleitung Allgemeine Gesichtspunkte Kupratsupraleiter Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle Supraleiter FFLO-Zustand und Mehrbandsupraleitung 195 Literatur Thermodynamik und thermische Eigenschaften des supraleitenden Zustandes Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik Die spezifische Wårme Die Wårmeleitfåhigkeit GrundzÅge der Ginzburg-Landau-Theorie Die charakteristischen Lången der Ginzburg-Landau-Theorie Typ-I-Supraleiter im Magnetfeld Das kritische Feld und die Magnetisierung stabfçrmiger Proben Die Thermodynamik des Meißner-Zustands Kritisches Magnetfeld dånner Schichten in einem Feld parallel zur Oberflåche Der Zwischenzustand Die Phasengrenzenergie Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld Magnetisierungskurve und kritische Felder Die Shubnikov-Phase Fluktuationen oberhalb der Sprungtemperatur Zustånde außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts 276 Literatur 282

15 Inhaltsverzeichnis XIII 5 Kritische StrÇme in Supraleitern 1. und 2. Art Die Begrenzung des Suprastroms durch Paarbrechung Typ-I-Supraleiter Typ-II-Supraleiter Ideale Typ-II-Supraleiter Harte Supraleiter Die Verankerung von Flussschlåuchen Die Magnetisierungskurve von harten Supraleitern Kritische StrÇme und Strom-Spannungs-Kennlinien 315 Literatur Josephsonkontakte und ihre Eigenschaften Stromtransport Åber Grenzflåchen im Supraleiter Supraleiter-Isolator-Grenzflåchen Supraleiter-Normalleiter-Grenzflåchen Supraleiter-Ferromagnet-Grenzflåchen Das RCSJ-Modell Josephsonkontakte unter Mikrowelleneinstrahlung Flusswirbel in ausgedehnten Josephsonkontakten Quanteneigenschaften von supraleitenden Tunnelkontakten Coulomb-Blockade und Tunneln einzelner Ladungen Flussquanten und makroskopische Quantenkohårenz 371 Literatur Anwendungen der Supraleitung Supraleitende Magnetspulen Allgemeine Aspekte Supraleitende Kabel und Bånder Spulenschutz Supraleitende Permanentmagnete Anwendungen får supraleitende Magnetspulen Kernspinresonanz Kernspintomographie Teilchenbeschleuniger Kernfusion Energiespeicher Motoren und Generatoren Magnetische Separatoren und Induktionsheizer SchwebezÅge Supraleiter får die LeistungsÅbertragung: Kabel, Transformatoren und Strombegrenzer Supraleitende Kabel Transformatoren Strombegrenzer 421