Natuurkunde

supergeleiding


Inleiding 

Een materiaal zónder elektrische weerstand. Het klinkt erg onwaarschijnlijk dat een dergelijk materiaal bestaat. In werkelijkheid zijn er echter heel veel materialen die onder bepaalde omstandigheden geen elektrische weerstand hebben. Wanneer bepaalde materialen ver genoeg worden afgekoeld zal hun elektrische weerstand afnemen tot nul. Hiervoor moeten de meeste materialen echter wel tot ver onder de 200 graden Celsius worden afgekoeld. Dit verschijnsel, dat de elektrische weerstand van een materiaal afneemt tot nul, noemt men supergeleiding.

Geleiding 

Elektrische geleiding is het natuurkundige verschijnsel dat een materiaal in staat is een elektrische lading te transporteren. Dit transport gebeurt door ladingen in het materiaal. Bij metalen zijn deze ladingen aanwezig in de vorm van elektronen, bij zoutoplossingen zijn dit de ionen. Niet ieder metaal of zoutoplossing geleidt een elektrische lading even goed. Wolfraam, aluminium en koper zijn voorbeelden van materialen die erg goed geleiden.

Supergeleiding 

Zelfs goede geleiders als wolfraam, aluminium en koper hebben een weerstand. Dit zal betekenen dat wanneer een elektrische lading door bijvoorbeeld een aluminium draad wordt getransporteerd dat de lading aan het eind van de draad lager is dan aan het begin. Wanneer de draad lang genoeg gemaakt wordt, kan het zelfs zijn dat er geen elektrische lading meer over is. Wanneer de temperatuur van de koperen draad echter verlaagd wordt naar 1,18 Kelvin blijkt aluminium geen elektrische weerstand meer te hebben. Wanneer je bij deze temperatuur een elektrische stroomkring van aluminium zou maken, zou dit betekenen dat de stroom eeuwig blijft bestaan. En met deze eeuwige stroomkring zou er ook een eeuwig magneetveld ontstaan. Dit principe blijkt niet alleen voor aluminium te werken. Ook andere geleiders als kwik, wolfraam en lood blijken bij een zeer lage temperatuur hun elektrische weerstand te verliezen.

Meissnereffect 

Een leuk en interessant gevolg van supergeleiding is het Meissnereffect. Stel dat je een piepschuimen bakje een permanente magneet legt en op deze magneet leg je een stukje metaal met een temperatuur boven de kritische waarde waarop het materiaal supergeleidend wordt. Het stukje metaal zal op de permanente magneet blijven liggen. Wanneer nu vervolgens de temperatuur van het geheel dermate omlaag wordt gebracht dat het stukje metaal supergeleidend wordt, zal het stukje metaal boven de magneet gaan zweven. Dit effect heet het Meissnereffect en is te verklaren doordat het stukje metaal een even groot intern magneetveld creëert als het externe magneetveld van de permanente magneetveld. Om het Meissnereffect helemaal te begrijpen is het ook van belang kennis te hebben van de Wet van Lenz. 

onderzoeksvragen

Verklaring
Hoe is supergeleiding te verklaren?

Materiaal
Kan ieder materiaal een supergeleider worden? Welke materiaaleigenschappen zijn hierbij van belang?

Wet van Lenz
Wat is de wet van Lenz en wat is de bijdrage van deze wet aan het Meissnereffect?

Meissnereffect
Hoe is het Meissnereffect te verklaren? Hoe komt het dat de magneet in de proef niet uit het magnetisch veld glijdt?

Toepassing
Wat voor toepassingen van supergeleiding zijn er te bedenken?