Kammerlingh- Onnes entdeckt die Supraleitung

1853 wurde Heike Kammerlingh-Onnes geboren. Der niederländische Physiker entdeckte den widerstandslosen Stromfluss, die Supraleitung. Auch die Suprafluidität entdeckte er. Was sich hinter diesen Begriffen verbirgt und wo Supraleitung im Alltag steckt, erfährst du hier ...

Heike Kammerlingh-Onnes wurde am 21. September 1853 im niederländischen Groningen geboren. Er studierte Physik in Groningen und Heidelberg unter anderem bei Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen. Nachdem er selbst Professor geworden war, arbeitete er mit Hendrik Aanton Lorentz zusammen. Sein Wahlspruch war Durch Messen zum Wissen.

Das Hauptgebiet von Kammerlingh-Onnes war die Verflüssigung von Gasen. Die Forschungen, die er durchführte, benötigten sehr tiefe Temperaturen, knapp über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius. Er konnte Stickstoff bei 195,8° Celsius und Sauerstoff bei -182,97° Celsius verflüssigen.

Flüssiges Helium

Am 10. Juli 1908 verflüssigte er als erster Mensch das Gas Helium. Luftballons von Volksfesten sind damit gefüllt, deshalb steigen sie auch nach oben, denn Helium ist leichter als Luft. Um Helium flüssig zu machen, musste er das Gas auf -268,93° Celsius abkühlen. Onnes interessierte sich für die veränderten Eigenschaften von kalten Gasen.

1911 entdeckte Kammerlingh-Onnes zwei seltsame Phänomene. Zunächst untersuchte er Quecksilber. Er kühlte das bei Raumtemperatur flüssige Metall immer weiter ab und maß dabei die elektrische Leitfähigkeit. Dabei stellte er auf einmal fest, dass ab einer gewissen Temperatur der elektrische Widerstand verschwand!

Kein Widerstand

Durch den Effekt der Supraleitung kann ein Magnet dauerhaft in der Schwebe gehalten werden.

Ein zunächst unglaubliches Phänomen, dass man damals auch nicht wirklich erklären konnte. Mittlerweile hat man eine Idee, wie dieses Supraleitung genannte Phänomen funktioniert: Ein Stück Metall besteht aus Atomen, die von Elektronen umkreist werden. Die Atome sind in einem Gitter angeordnet und haben in jeder Raumrichtung, also links und rechts, oben und unten und vorne und hinten ein anderes Atom. Um die Atome kreisen Elektronen, die für die Leitfähigkeit entscheidend sind.

Durch die Energie, die bei Zimmertemperatur herrscht, bewegen sich die Atome um ihren Sitz im Gitter ein bisschen herum. Wenn Strom fließt, dann eilen freie Elektronen von einem Atom zum anderen. Dabei werden sie immer wieder von den Atomen behindert.

Freie Bahn

Wenn nun die Temperatur gesenkt wird, dann bewegen sich die Atome immer weniger. Ab einer gewissen Temperatur haben die Elektronen freie Bahn und stoßen auf keinen Widerstand mehr das Metall ist im supraleitenden Zustand. Stell dir vor, du musst durch eine Halle, in der viele Menschen durcheinander laufen. Du wirst lange brauchen und es wird anstrengend sein. Wenn dagegen alle stehen bleiben, dann findest du schnell und leicht durch die Menschenmenge.

Kammerlingh-Onnes entdeckte noch ein anderes Phänomen, als er nochmal mit flüssigem Helium experimentierte. Als er es auf unter 271° Celsius abkühlte stellte er fest, dass die Flüssigkeit als sehr dünner Film die Gefäßwände emporstieg.

Dieser Effekt ist nach seinem Entdecker auch als Onnes-Effekt bekannt. Der dünne Film wird Rollins-Film genannt und ist nur wenige Dutzend Atomlagen dick, etwa im Bereich von 30 Nanometer (=Milliardstel Meter).

Die Wände hoch

Das Helium klettert die Wände hoch, weil bei solch tiefen Temperaturen die Atome im Helium kaum noch Energie besitzen und sich wenig bewegen. Die Kräfte, die die Atome ausüben, sind schwächer als die so genannte Adhäsionskraft. Denn die Gefäßwand zieht durchaus auch bei höheren Temperaturen die Atome der Flüssigkeit an.

Aber bei höheren Temperaturen sind die Atome der Flüssigkeit buchstäblich sehr sprunghaft und stoßen sich durch ihre Energie von den Gefäßwänden wieder ab, so dass zum Beispiel bei Raumtemperatur nur eine sehr geringe Steighöhe möglich ist.

Auch  Wasser steigt an Gefäßwänden nach oben, sogar bei Raumtemperatur, allerdings nur ein kleines Stück. Dann wirken andere Kräfte als die schwachen Adhäsionskräfte.

Aber nahe des Nullpunkts scheint sich die Flüssigkeit gegen die Schwerkraft zu erheben und kriecht die Wände hoch. Das kann für Experimente ein Problem sein, denn die geringste Undichtigkeit, etwa des Gefäßdeckels, führt dann dazu, dass das Helium nach und nach verschwindet.

Nobelpreis für Kammerlingh-Onnes

Wenn man das Gefäß mit dem suprafluiden Helium in Drehung versetzt, dann geschieht ebenfalls seltsames. Bei langsamer Drehung bewegt sich das Helium einfach nicht mit. Dreht man schneller, dann bilden sich Wirbel, die sich in einem Sechseckmuster anordnen.

Heute kennt man Materialien, die man nicht mehr so teuer und aufwändig auf Temperaturen nahe des Nullpunkts kühlen muss. Moderne Supraleiter erreichen ihre Eigenschaften schon bei über -190 Grad Celsius. Man verwendet solche tiefgekühlten Magnete in medizinischen Geräten wie Computertomographen oder auch im Magnetschwebezug Transrapid.

Kammerlingh-Onnes erhielt für seine Arbeiten 1913 den Nobelpreis für Physik. Er starb am 21. Februar 1926 in Leiden. Seine Geräte kann man zum Teil noch heute im Boerhaavemuseum betrachten.

Text: -jj- 19.9.2008 // Bilder: Kammerlingh: PD; Suprafluidität: Aarachiba/Julio Reis/cc-by-sa2.5; Magnet: Peter Nussbaumer/GFDL; Adhäsion: MesserWoland/GFDL

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