MRI en zwevende treinen

Een MRI scanner in het Universitair Medisch Centrum Utrecht

MRI scanners in ziekenhuizen en zwevende treinen hebben hele sterke magneetvelden nodig om te werken. Die magneetvelden worden niet gemaakt door een heleboel koelkastmagneten aan elkaar te plakken, maar door elektronen in rondjes te laten bewegen. Als je ze zou laten bewegen in een gewone elektriciteitskabel, dan zou die veel te heet worden en zou het teveel energie kosten om die elektronen draaiende te houden. Daarom worden daarvoor supergeleiders gebruikt. Deze supergeleiders werken op een temperatuur van ongeveer -265 graden Celcius (dus heel dicht bij het absolute nulpunt!). Als de elektronen in een supergeleider eenmaal ronddraaien, dan blijven ze ook rond draaien totdat ze van buitenaf weer worden afgeremd.

Supergeleiding

Een gewone elektriciteitsdraad geleidt elektronen erg goed, maar niet perfect. De elektronen botsen namelijk nog vaak (wel 1000 miljard keer per seconde!) met de atomen van de draad. Door die botsing verliest die elektrische stroom kracht en warmt de draad op. Dat is lastig als je veel stroom nodig hebt bijvoorbeeld om een sterk magneetveld te maken. Daarvoor kan je dan supergeleiders gebruiken. Supergeleiders, de naam zegt het al, geleiden elektrische stroom perfect en zonder energieverlies. Helaas worden materialen pas supergeleidend als je ze heel koud maakt.

Om te begrijpen hoe een supergeleider werkt, zoomen we in op een stukje supergeleidende draad. De atomen van de draad zijn een klein beetje positief geladen en zitten op een rooster, maar kunnen een beetje wiebelen op hun plek. De stroom van elektronen beweegt door de draad en omdat elektronen negatief geladen zijn, stoten ze elkaar af, maar trekken elektronen de positief geladen atomen een beetje naar zich toe. Doordat rondom zo’n elektron de positieve atomen dichterbij elkaar komen, is het voor een ander elektron ook interessant om naar diezelfde plek te komen. Dus door het rooster van atomen is er toch een aantrekking tussen de elektronen. Deze aantrekking is meestal zwakker dan de thermische energie. Daarmee bedoel ik dat op kamer temperatuur de elektronen erg veel wiebelen en daardoor toch niet bij elkaar kunnen blijven.

Maar als je de draad koud genoeg maakt, kan de rooster-aantrekkingskracht een elektronen paar maken. Of zelfs meerdere paren. Die paren zijn erg lui en klonteren het liefst samen in de laagste energie toestand (dus zo dicht mogelijk bij de positieve lading van het rooster). De paren komen dan zo dicht bij elkaar dat we een afzonderlijk paar niet meer apart kunnen nemen. Als we een paar willen breken, moeten we ze allemaal breken. Samen staan we sterk! Een botsing met het rooster is dan niet sterk genoeg om de klont op te breken. Dus kan de klont geen enkele energie verliezen bij zo’n botsing. Dus de elektronen kunnen door de draad bewegen zonder energie verlies!

Zweven

Los van de belangrijke toepassingen zoals MRI en zwevende treinen, hebben superge coole eigenschap van supergeleiders: Supergeleiders kunnen zweven in de buurt van een magneet. Omdat de elektronen in een supergeleider vrij kunnen bewegen, kunnen ze moeiteloos iedere verandering in magneetveld tegen gaan. Metalen houden namelijk helemaal niet van verandering (in magneetveld) en elektronen kunnen een tegenwerkend magneetveld maken door in rondjes te bewegen. Als je dus een supergeleider in de buurt van een magneet brengt, gaan de elektronen heftig in rondjes bewegen. Als je de supergeleider dan wilt verplaatsen, verandert het magneetveld en moeten de elektronen anders gaan draaien. Er ontstaat daardoor een kracht op de supergeleider die hem op zijn plek probeert te houden. Die kracht kan supergeleiders laten zweven.

Dit effect heet het Meissner effect en er zijn op youtube heel veel coole filmpjes te vinden die dit demonstreren. In sommige filmpjes, zoals deze, laten ze een supergeleider boven een spoor bewegen. Dat doen ze door een baan van magneten te maken die weer een strook maakt waar het magneetveld gelijk is. Langs die stroom kan de supergeleider dus wel bewegen. In die filmpjes zie je vaak damp van de supergeleider afkomen. Dat is omdat ze deze moeten koelen met vloeibare stikstof.

Meer info?

Leerzame en coole filmpjes:

• Uitleg over geleiding en supergeleiding
• Supergeleider zwevend treintje
• Meissner effect
• MRI scannen in het Universitair Medisch Centrum Utrecht
• Een kikker laten zweven met magneetvelden

Interessante websites:

• De wiki over de theorie achter supergeleiding: BCS theorie
• Uitleg met handige plaatjes