DE1464322B2 - Vorrichtung zur erzeugung eines stromes in einem supraleitenden stromkreis - Google Patents

Description

entgegengesetzter Richtung die entgegengesetzte Polarität aufweist.

Bei einer derartigen Vorrichtung bleibt die supraleitende Verbindung zwischen den beiden Anschlußpunkten bestehen, auch wenn das Meissner-Gebiet die Platte verlassen sollte. Das magnetische Feld in der Spule ist dabei sehr stark, während das Feld in der Platte verhältnismäßig schwach ist.

Die Erfindung verwendet einige an sich bekannte Eigenschaften der supraleitenden Materialien.

So kann z. B. kein Magnetfeld in ein supraleitendes Material, eine äußerst dünne Schicht auf der Oberfläche nicht mitgerechnet, durchdringen, solange dieses in supraleitendem Zustand ist. Ein Magnetfeld kann nur an den Stellen vorhanden sein, wo das supraleitende Material »normal« leitend ist. Dies kann also eine Stelle sein, wo die magnetische Feldstärke gleich dem oder größer als der kritische(n) Wert ist. Wie bereits oben bemerkt, kann der Kraftfluß sich in einem von supraleitendem Material umschlossenen Gebiet nicht ändern, weil eine virtuelle JT Änderung des Kraftflusses eine EMK erzeugt, wo-" durch ein Strom entsteht, der der Änderung entgegenwirkt, welche Änderung völlig ist, weil der Abstand gleich Null ist. Wenn also ein Kraftfluß einmal in einem normal leitenden Gebiet innerhalb eines supraleitenden Gebiets eingefangen ist, kann die Größe des Kraftflusses sich nicht mehr ändern, aber das normal leitende Gebiet kann wohl verstellt werden oder seine Form ändern. Ein Kraftfluß kann also auch nicht an einer beliebigen Stelle in einem supraleitenden Körper entstehen, z.B. durch Anordnung eines Magneten, sondern kann nur durch den Rand des Körpers eingeführt werden. Ein solches »normal« leitendes Gebiet, durch das ein Kraftfluß hindurchtritt, wird manchmal mit dem Namen »Meissner«-Gebiet bezeichnet. Der Kraftfluß kann ganz oder teilweise durch einen elektrischen Strom, der in einer engen Strombahn das normal leitende Gebiet umschließt, aufrechterhalten werden und durch einen äußeren Magneten mitbestimmt werden. Ein Meissner-Gebiet kann mittels eines Magneten verstellt werden oder, wie bereits erwähnt, mittels eines Lichtbündels, das über die Oberfläche des supraleitenden Körpers verstellt wird.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel.

Hierbei ist die Spule 1, mittels der ein starkes Magnetfeld erzeugt werden muß, über die Stromleiter 2 und 3 mit den Punkten 4 und 5 auf der Platte 6 verbunden. Diese verschiedenen Teile bestehen aus supraleitendem Material, und zwar bestehen die Spule 1 und die Leiter 2 und 3 vorzugsweise aus magnetisch hartem supraleitendem Material, z. B. Nb₃-Sn oder Nb-Zr, d. h. einem Material mit einer hohen kritischen magnetischen Feldstärke, während die Platte 6 z. B. aus Blei oder Zinn bestehen kann, dessen kritische Feldstärke niedriger ist. Diese Leiter befinden sich in einem nicht dargestellten Kühlgefäß, in dem die Temperatur durch nicht dargestellte Mittel unterhalb der kritischen Temperatur der verschiedenen Teile gekühlt werden kann. Auf der Unterseite der Platte 6 befindet sich ein Magnet 7, der z. B. von einem Motor 8 oder von Hand aus um eine Welle 9 in Umlauf versetzt werden kann. Vorzugsweise ist der Magnet 7 mit den Antriebsteilen 8 und 9 außerhalb des Kühlgefäßes angeordnet, dessen eine Wand dann zwischen dem Magneten 7 und der Platte 6 gedacht werden soll. Im normal leitenden Zustand der Platte 6 werden die Kraftlinien des Magneten 7 durch die Platte 6 hindurchdringen.

Wenn jetzt das Kühlgefäß unterhalb der kritischen Temperatur der Leiter gekühlt wird, entsteht in der Platte 6 über dem Magneten 7 ein Meissner-Gebiet 10, wo also die Platte 6 normal leitend bleibt und wo

ίο also noch Kraftlinien des Magneten durch die Platte 6 hindurchdringen, während an anderen Stellen der Platte 6 kein Magnetfeld mehr vorhanden ist. Wird jetzt die Welle 9 mit dem Magneten 7 gedreht, so wird das Meissner-Gebiet 10 eine Kreisbahn 11 um die Anschlußstelle 5 beschreiben, und hierdurch wird ein persistierender Strom erzeugt, der durch den Stromleiter 2, die Spule 1, den Stromleiter 3 und die Platte 6 verläuft, welcher Strom stärker wird, je nachdem, ob der Magnet mehr Umdrehun-

2ö gen macht und konstant bleiben wird, wenn der Magnet stillgesetzt wird, oder abnehmen wird, wenn der Magnet in entgegengesetzter Richtung bewegt wird. Auf diese Weise kann dann der Strom auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung kann mit derjenigen einer Unipolarmaschine, wie sie schematisch in Fi g. 2 dargestellt ist, verglichen werden.

Diese Vorrichtung enthält einen geschlossenen Ring 12, der einen Kraftfluß umschließt. Im Ring 12 kann sich eine Speiche 13 derart um eine Welle 14 wälzen, daß das Ende der Speiche über einen Schleifkontakt immer in galvanischer Verbindung mit dem Ring 12 steht. Die Stromleiter 2 und 3, an die die Spule 1 angeschlossen ist, sind mit einem Punkt des Ringes 12 und mit der Welle 14 verbunden. Wenn die Speiche 13 sich um die Welle 14 wälzt, wird in der Speiche eine Induktionsspannung erzeugt. Diese Induktionsspannung ist zwischen der Welle 14 und dem Ring 12, also zwischen den Enden der Leiter 2 und 3, wirksam, wodurch ein Strom zu fließen beginnt.

Bei den bekannten Unipolarmaschinen wird ein Leiter mechanisch in einem Magnetfeld bewegt, wodurch infolge der Tatsache, daß die Elektronen im Leiter einer Lorentz-Kraft unterzogen werden, eine Induktionsspannung entsteht. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind keine mechanisch bewegten Leiter vorgesehen, und es ist also auch nicht unmittelbar eine Lorentz-Kraft nachweisbar.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist folgende: Es wird angenommen, daß bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 die verschiedenen Teile aus supraleitendem Material bestehen und daß ursprünglich kein Strom durch die Leiter 2 und 3 fließt und also kein Kraftfluß im von ihnen umschlossenen Gebiet A, jedoch wohl im vom Ring 12 umschlossenen Gebiet B besteht, welcher Kraftfluß durch einen persistierenden Strom im Ring 12 aufrechterhalten wird, während die Speiche 13 sich in der dargestellten Lage befindet.

Wie bereits oben bemerkt wurde, kann der Kraftfluß sich in einer geschlossenen Kontur aus supraleitendem Material nicht ändern. Die Kontur a, b, c, d, e, f, α umfaßt keinen Kraftfluß. Wenn jetzt die Speiche 13 entgegen dem Uhrzeigersinn in die in F i g. 3 dargestellte Lage versetzt wird, geht diese Kontur kontinuierlich in die Kontur a, b, c, d, a über, und in letzterer wird also auch der Gesamt-

kraftfluß Null sein müssen. Diese Kontur umfaßt jetzt jedoch das schraffierte Gebiet C des durch den Ring 12 hindurchtretenden Kraftflusses. Da der Gesamtkraftfluß Null ist, muß das Gebiet A also einen gleichen und entgegengesetzten Kraftfluß umschließen, der durch einen Strom in den Leitern 2 und 3 entsteht. Wird jetzt die Speiche 13 weiter bewegt, bis die in F i g. 2 dargestellte Lage wieder erreicht ist, so ist die Kontur kontinuierlich in a, b, c, d, e, g, a übertragen. Da der Gesamtkraftfluß Null geblieben sein muß und die letztere Kontur jetzt den ganzen durch den Ring 12 hindurchtretenden Kraftfiuß umschließt, muß im Gebiet Λ ein Kraftfluß vorhanden sein, der gleich und entgegengesetzt dem Kraftfluß durch den Ring 12 ist. Auf diese Weise ist auch einzusehen, daß bei jeder weiteren Umdrehung der Speiche 13 der Kraftfluß im Gebiet A um einen Betrag gleich dem Kraftfluß durch den Ring 12 zunimmt und daß also auch der Strom durch den äußeren Kreis über die Leiter 2 und 3 und die Spule 1 entsprechend zunehmen muß.

Die letztere Erklärung ist nicht von der Tatsache abhängig, daß ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt wird, aber beruht auf der Tatsache, daß eine supraleitende Kontur kontinuierlich ihre Form ändert. Diese Auseinandersetzung würde auch dann gelten, wenn die Speiche 13 eine andere Form hätte, z. B. diejenige des schraffierten Gebietes D in F i g. 4, was grundsätzlich dahingeht, daß tatsächlich das nicht leitende Gebiet 10, durch das ein Kraftfluß hindurchtritt, sich um den Anschlußpunkts dreht wie bei der Vorrichtung gemäß Fig.. 1 Es ist einleuchtend, daß auch in diesem Fall das Entstehen eines Stromes im äußeren Kreis eine Folge des Vorhandenseins einer EMK ist, so daß grundsätzlich der äußere Kreis auch einen gewissen Widerstand aufweisen darf.

Hinsichtlich der Vorrichtung gemäß F i g. 1 wird bemerkt, daß es nicht erforderlich ist, daß das Meissner-Gebiet 10 als solches bei der Umdrehung gemäß dem Kreis 11 um den Punkt 5 fortwährend bestehenbleibt; es darf vielmehr gegebenenfalls auch die Platte 6 über ihren Rand verlassen, wodurch es also tatsächlich erlischt, während es dann bei weiterer Drehung des Magneten aufs neue gebildet wird, wie schematisch in F i g. 5 dargestellt ist. Es ist jedoch

ίο erforderlich, daß das Meissner-Gebiet 10 die Anschlußstellen 4 und 5 nicht berührt oder breiter ist als die Platte 6, da sonst nicht fortwährend eine supraleitende Verbindung durch die Platte 6 zwischen den Punkten 4 und 5 bestehenbleiben würde und also mit anderen Worten die obige supraleitende Kontur unterbrochen werden würde.

Es ist auch einleuchtend, daß die durch das Meissner-Gebiet beschriebene Bahn kein Kreis zu sein braucht und daß auch der gleiche Strom erzeugt werden wird, wenn das Meissner-Gebiet 10 statt um den Punkt 5 in entgegengesetzter Richtung um den Punkt 4 wandern sollte oder mit entgegengesetzter / Polarität des Kraftflusses in entgegengesetzter Richtung um den Punkt 4.

Das Meissner-Gebiet kann dann auch in der Konstellation gemäß F i g. 5 eine hin- und hergehende Bewegung zwischen den Anschlußpunkten 4 und 5 beschreiben, wobei bei jeder Umkehrung der Richtung die Polarität des Kraftflusses umgedreht wird, was durch Umdrehen des Magneten erfolgen kann. Ein Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, daß das Gebiet über das der persistierende Strom sich durch die Platte 6 schließt, groß sein kann und die Stromdichte also niedrig, so daß ein großer Strom auftreten kann, bevor das Material unter Einfluß des von diesem Strom erzeugten Magnetfeldes normal leitend zu werden droht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 rial gewählt werden, das magnetisch hart ist, d. h. eine Patentansprüche: hohe kritische magnetische Feldstärke aufweist, wie z. B. Nb3-Sn und Nb-Zr.

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines persistie- Grundsätzlich kann der Strom für den Elektrorenden Stromes in einem supraleitenden Kreis 5 magneten von außerhalb des Kühlraumes zugeführt mittels eines in einer Platte aus supraleitendem werden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß einerseits Material bewegbaren normal leitenden Gebietes, eine Quelle vorhanden sein muß, die kontinuierlich in dem ein Kraftfluß durch die Platte hindurch- Strom liefert, während andererseits dem Kühlraum tritt (Meissner-Gebiet), dadurch gekenn- durch die Wärmeleitfähigkeit der Stromzuführungszeichnet, daß der Kreis aus einer Spule (1) be- ίο drahte Wärme zugeführt wird.

steht, die über Stromleiter (2, 3) mit zwei ver- Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist bereits vorschiedenen Punkten (4, 5) der Platte (6) aus su- geschlagen worden, persistierende Ströme zu verpraleitendem Material verbunden ist, und daß das wenden, d. h. den Umstand, daß ein Strom in einem Gebiet mittels eines bewegbaren magnetischen geschlossenen Kreis aus supraleitendem Material Feldes wiederholt zwischen den beiden Anschluß- 15 durch das Fehlen eines Widerstandes nicht in Stärke punkten (4, 5) auf der Platte hindurch bewegbar abnimmt, während ein von supraleitendem Material ist, wobei immer durch die Platte (6) eine supra- umschlossener Kraftfluß sich grundsätzlich nicht anleitende Verbindung zwischen den beiden Punk- dem kann. Es ist bereits ein Verfahren bekannt zum ten bestehenbleibt und der Kraftfluß bei der Be- Erzeugen eines solchen persistierenden Stromes mitwegung in einer bestimmten Richtung immer die 20 tels in Öffnungen eines supraleitenden Körpers begleiche Polarität besitzt, während er bei einer weglicher Kolben und galvanischer Tore, die durch eventuellen Bewegung in entgegengesetzter Rieh- örtlich erzeugte Temperaturänderungen gesteuert tung die entgegengesetzte Polarität aufweist. werden können. Dieses Verfahren hat den Nachteil,

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- daß im Kühlraum bewegliche Teile vorhanden sein kennzeichnet, daß das magnetische Feld mittels 25 müssen, die wieder von außerhalb gesteuert werden, eines Magneten (7) gebildet wird, der durch einen müssen, und daß zum Steuern der Tore Wärme zuMotor (8) oder von Hand aus um eine Welle (9), geführt werden muß.

die in einer Achse durch einen der Punkte (4 Es ist auch eine Vorrichtung bekannt, welche eine

oder S) liegt, bewegbar ist. Platte aus supraleitendem Material aufweist, in wel-

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, 30 eher mit Hilfe einer Öffnung ein supraleitender Kreis dadurch gekennzeichnet, daß das Meissner-Ge- gebildet ist. In der Platte ist ein normal leitendes biet (10) aus der Platte (6) heraus- und wieder Gebiet bewegbar, in dem ein magnetischer Krafthineingeführt wird. fluß durch die Platte hindurchtreten kann (Meissner-Gebiet). Das normal leitende Gebiet wird dabei mit-

35 tels eines auf die Platte gerichteten, bewegbaren

Lichtstrahls wiederholt zwischen der Öffnung und

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung dem Rand der Platte bewegt, wobei für die Zeit der

zur Erzeugung eines persistierenden Stromes in Bewegung des normal leitenden Gebietes in der

einem supraleitenden Kreis mittels eines in einer Platte der supraleitende Kreis bestehenbleibt. Am

Platte aus supraleitendem Material bewegbaren nor- 40 Rand der Platte ist ein Magnet angeordnet, dessen

mal leitenden Gebietes, in dem ein Kraftfluß durch Fluß durch das normal leitende Gebiet hindurch-

die Platte hindurchtritt (Meissner-Gebiet). ..' tritt, wenn sich dieses über dem-Magneten befindet.

Aufgabe der Erfindung ist die Erzeugung eines Wird das normal leitende Gebiet anschließend von

sehr starken Magnetfeldes, das beispielsweise in der dem Magneten wegbewegt, so bleibt der magnetische

Größenordnung von 100 000 Gauß und mehr liegen 45 Fluß eingefangen und kann zu der Öffnung transpor-

soll. ' tiert werden. Die mechanische Kopplung zwischen

Zur Erzeugung so starker Magnetfelder lassen sich dem Meissner-Gebiet und dem Lichtstrahl ist dabei ferromagnetische Materialien, wie beispielsweise aber so locker, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Eisen, nicht verwenden, da diese bereits bei verhält- Kraftfluß in der Öffnung erzeugt werden kann, da das nismäßig niedrigen Feldstärken magnetisch gesättigt 50 Meissner-Gebiet von dem Kraftfluß in der Öffnung werden. Beim Erzeugen starker Magnetfelder mittels magnetisch abgestoßen wird. Die mechanische Koppeines Elektromagneten ergibt sich die Schwierigkeit, lung bricht deshalb sehr bald zusammen, wenn das daß bei Anwendung normaler Leiter z. B. Kupfer, die normal leitende Gebiet nicht in der Platte bewegt Wärmeentwicklung für viele praktische Anwendun- wird.

gen unzulässig groß wird. Man hat daher versucht, 55 Die Aufgabe der Erfindung, ein magnetisches die Eigenschaft sogenannter supraleitender Materi- Feld sehr großer Stärke zu erzeugen, wird mit Hilfe alien zu verwenden, wiez. B. Blei und Zinn, da diese der Vorrichtung nach der Erfindung dadurch erunterhalb einer kritischen Temperatur eine unendlich reicht, daß der Kreis aus einer Spule besteht, die große Leitfähigkeit aufweisen, so daß ein Strom darin über Stromleiter mit zwei verschiedenen Punkten der keine Wärme entwickeln' wird. Diese Materialien 60 Plätte aus supraleitendem Material verbunden ist, weisen jedoch die Eigenschaft auf, daß sie auch und daß das Gebiet mittels eines bewegbaren maunterhalb der kritischen-Temperatur wieder »normal« gnetischen Feldes wiederholt zwischen den beiden leitend werden können, d.h. eine endliche Leitfähig- Anschlußpunkten auf der Platte hindurch bewegbar keit annehmen werden unter Einfluß eines Magnet- ist, wobei immer durch die Platte eine supraleitende feldes, dessen Stärke größer als ein bestimmter kri- 65 Verbindung zwischen den beiden Punkten bestehentischer Wert ist. Um zu verhüten, daß die Leiter bleibt und der Kraftfluß bei der Bewegung in einer eines Elektromagneten infolge des erzeugten Feldes bestimmten Richtung immer die gleiche Polarität benormal leitend werden, muß ein supraleitendes Mate- sitzt, während er bei einer eventuellen Bewegung in