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Magnetometer

Magnetometer

Bei einem Magnetometer handelt es sich um eine sensorische Einrichtung, die dazu dient, Magnetfelder zu messen. In der Praxis zu messende Magnetfelder existieren über eine weite Größenordnung von circa 10-15 bis 10 Tesla. Entsprechend unterschiedliche Messverfahren kommen unter dem Begriff "Magnetometer" zum Einsatz.

Typen

Hier eine Auflistung der gebräuchlichsten Magnetometer:
- SQUIDs messen mit einem supraleitenden Ring (Josephson-Effekt) die physikalisch kleinste messbare Einheit des magnetischen Flusses (magnetisches Flussquantum). Obwohl sie prinzipiell die empfindlichsten Magnetometer sind, ist ihr Einsatz durch die benötigten tiefen Temperaturen bei der Supraleitung und die damit verbundenen Installationen (z.B. Kryostaten) sehr aufwändig. In der Praxis kommen sie nur im Labor zum Einsatz.
- Protonenmagnetometer
- Optisch gepumpte Magnetometer, wie z.B. Overhausen-Magnetometer oder Cäsium-Magnetometer.
- Förster-Sonden oder "Saturationskern-Magnetometer" (engl.: Fluxgate oder "Second-harmonic-detector")
- "XMR"-Sensor; Dünnschicht-Sensoren, die unter Einfluss eines Magnetfeldes direkt ihren Widerstand ändern und daher "X-MagnetoResistiv" heißen, wie GMR-Sensor ("Giant"), AMR-Sensor ("Anisotropic") oder CMR-Sensoren ("Collosal").
- Hall-Sensoren. Darüber hinaus gibt es noch weitere Magnetfeld-Sensoren, die aber selten unter dem Begriff Magnetometer verwendet werden. Sie sind nicht so empfindlich und rauscharm wie die bisher genannten. Durch ihren produktionstechnisch einfachen Aufbau (Halbleitertechnik) und die damit verbundenen günstigen Produktionskosten finden sie jedoch bei einfacheren Messaufgaben wie im Automobilsektor oder der Automatisierungstechnik breiten Absatz.

Anwendung

Eine der klassischen Aufgaben eines Magnetometers ist es, das Erdmagnetfeld mit seinen Schwankungen zu vermessen (Geomagnetik). Treten lokale Abweichungen des Magnetfeldes an der Erdoberfläche auf, so deutet dies auf ferromagnetische Materialien im Untergrund hin. Diese Störungen können zur Detektion von so unterschiedlichen Objekten wie z.B. Erzlagerstätten, U-Booten, Altlasten (z.B. Blindgänger) oder archäologischen Strukturen dienen. Eine hohe Bedeutung haben Magnetometer in der Raumfahrt. Sie kommen dort als Lagesensoren zum Einsatz und werden dazu verwendet, die Lage eines Satelliten zu bestimmen. Lagesensoren Von Luftfahrzeugen aus eingesetzte Magnetometer sind vor allem im militärischen Bereich auch unter der Abkürzung MAD (magnetic anomaly detector) bekannt. Um eine Beeinflussung durch ferromagnetische Bauteile des Luftfahrzeuges zu minimieren, werden solche Magnetometer entweder an einem Seil hinter dem Luftfahrzeug her geschleppt oder beispielsweise in einer stachelartigen Verlängerung des Rumpfhecks untergebracht.

Erdmagnetfeld

Das Erdmagnetfeld, das nur annäherungsweise ein Dipolfeld ist, wird von außen etwa durch elektrische Felder in der hohen Atmosphäre, die durch Polarlichter sichtbar werden können, aber auch vom Inneren der Erde durch Körper mit eigenem Magnetismus beeinflusst. Eine metallhaltige Schmelze etwa nimmt die beim Abkühlen herrschende Ausrichtung des Erdmagnetfeldes an. Verändern sich später ihre Lage oder die Pole des Magnetfeldes, erzeugt das erkaltete Metall ein Störfeld. Dies kann im Großen durch einen Erzgang, aber auch im Kleinen durch einen in der Wand verborgenen Nagel geschehen. Die Auslenkung einer Magnetnadel wird durch solche Störfelder allerdings viel zu wenig verändert, als dass man sie mit dem bloßen Auge erkennen könnte. Man benötigt daher für mechanische Magnetometer - neben einer nahezu reibungsfrei gelagerten Magnetnadel - eine starke Ableseoptik. Neben der rein mechanischen Messung kann der Hall-Effekt zur elektrischen Magnetfeldmessung verwendet werden. Ein moderneres Verfahren ist die Messung mit einem Protonen-Präzessions-Magnetometer, das auf subatomaren Wechselwirkungen basiert. Kategorie:Messgerät Kategorie:Magnetismus Kategorie:Raumfahrttechnik

Sensorik

Mit der Sensorik bezeichnet man die Menge der Sensoren einer Steuerung, einer Messanlage oder eines Regelkreises. So könnte die Sensorik eines Roboters beispielsweise bestehen aus Kamera, Abstands-Sensor Initiator, Mikrofon, Infrarot-Detektor, Geschwindigkeits-Messer (Tachometer) und GPS-Empfänger. Man spricht auch bei Lebewesen von Sensorik, wenn man die Organe der Sinneswahrnehmung meint, beispielsweise Augen (optischer Sensor), Ohren (akustischer Sensor), Nase, olfaktorischer (Riech-, oder Chemie-) Sensor, Zunge (Geschmacks- oder Chemie-Sensor), Gefühl (Haut, Druck- und thermischer Sensor).

Siehe auch


- Aktor, Aktorik
- Mechatronik Kategorie:Elektronik

Tesla (Einheit)

Tesla (T) ist eine abgeleitete SI-Einheit für die magnetische Flussdichte oder Induktion. Die Einheit wurde im Jahre 1960 auf der Conférence General des Poids et Mesures (CGPM) in Paris nach Nikola Tesla benannt. ; 1 T := 1 V·s/m² = 1 N/(A·m) = 1 Wb/m² = 1 kg/(A·s²) Im CGS-System, das vor allem noch in der theoretischen Physik verwendet wird, ist die entsprechende Einheit Gauß = 10-4 T. Die Geophysik benutzte auch die Einheit γ. ;1 γ := 10-9 T = 1 nT Beispiele für verschiedene magnetische Flussdichten in der Natur und in der Technik:
- im Weltraum beträgt die magnetische Flussdichte zwischen 10-10 T und 10-8 T,
- im Erdmagnetfeld am 50. Breitengrad bei 2 · 10-5 T, am Äquator 3,1 · 10-5 T
- das Magnetfeld eines großen Hufeisenmagneten beträgt rund 0,001 T,
- das Magnetfeld eines Kernspintomographen für die Anwendung am Menschen bis zu 7,2 T (stärkster europäischer Kernspintomograf in Magdeburg).
- eines typischen Sonnenflecks 0,25 T
- das stärkste stetige Magnetfeld, welches durch einen Hybridmagnet (resistiv + supraleitend) in einem Labor der Florida State University in Tallahassee, Florida erzeugt wurde, hat 45 T. Es ist möglich, wesentlich stärkere Felder für wenige Millisekunden zu erzeugen, beispielsweise durch intensive Laserbestrahlung -- 34 000 T für 10 ps (Quelle [http://www.fz-rossendorf.de/pls/rois/Cms?pNid=232])
- auf einem Neutronenstern 106 T bis 108 T,
- auf einem Magnetar 108 bis 1011 T,
- maximale theoretische Feldstärke eines Neutronensterns, und somit für das größte bekannte Phänomen, 1013 T. Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:SI-Einheit ja:テスラ

SQUID

SQUID ist die Abkürzung für Superconducting QUantum Interference Device (Supraleitende Quanteninterferenzeinheit). Ein SQUID ist ein Sensor zur sehr präzisen Messung extrem kleiner Magnetfelder.

Aufbau

Ein SQUID besteht aus einem supraleitenden Ring, der an einer Stelle (rf-SQUID, gelegentlich auch ac-SQUID genannt) oder zwei Stellen (dc-SQUID) durch ein normalleitendes oder elektrisch isolierendes Material unterbrochen wird. Diese Unterbrechung muss jedoch so dünn sein, dass die supraleitenden Elektronenpaare (die Cooper-Paare) durch diese Spalte hindurchtunneln können. Derartige Tunnelkontakte nennt man Josephson-Kontakte.

Funktionsweise

Die Funktionsweise eines SQUID basiert auf dem Effekt der Flussquantisierung in supraleitenden Ringen und dem Josephson-Effekt. Aus quantenmechanischen Gründen kann durch einen supraleitenden Ring nur ein Magnetischer Fluss, der ein ganzzahliges Vielfaches des elementaren magnetischen Flussquantums (2,07x10-15 Vs) beträgt, durchfließen. Ändert sich das äußere Magnetfeld, so wird im Ring ein elektrischer Kreisstrom angeregt, der genau groß genug ist, um den magnetischen Fluss im supraleitenden Ring auf das nächstgelegene Vielfache des Flussquantums zu erhöhen oder zu erniedrigen. Diese magnetfeldabhängige Änderung des Stromes lässt sich in einem einfachen supraleitenden Ring schwer detektieren, deshalb macht man sich den Josephson-Effekt zunutze. In den Supraleitenden Ring werden (beim dc-SQUID) zwei Josephson-Kontakte eingebracht, wodurch der Ring in zwei Teile geteilt wird. Nun werden diese kontaktiert und ein Gleichstrom durch das SQUID geleitet, der größer als der kritische Strom der beiden Josephson-Kontakte ist, dadurch fällt am SQUID eine messbare elektrische Spannung ab. Diese ist abhängig vom von außen angelegten Gleichstrom, aber auch von den Kompensationströmen, die im supraleitenden Ring fließen, um die Flussquantisierung aufrecht zu erhalten. Ändert sich nun das äußere magnetische Feld, so ändert sich der Strom im Ring und damit die Spannung am dc-SQUID. Die Fluss-Spannungs-Kennlinie des SQUID ist periodisch (näherungsweise Sinusförmig) und die Periode ist genau ein magnetisches Flussquantum. Deshalb kann man mit einem SQUID noch Flussänderungen, die geringer als ein Flussquantum sind, messen (zum Vergleich: das Erdmagnetfeld liegt in der Größenordnung von zwischen 30 und 60x10-6 Vs pro Quadratmeter an der Erdoberfläche). Die Funktionsweise eines rf-SQUID basiert auf den selben Effekten, nur dass als Vorstrom kein Gleichstrom, sondern ein Wechselstrom im Frequenzbereich von einigen 10 Megahertz benutzt wird. Dieser wird nicht direkt an das SQUID angelegt, sondern induktiv über eine Spule. Über diese Spule wird es auch ausgelesen.

Realisierung

Die meisten SQUIDs werde heute in Dünnfilmtechnik (Sputtern oder Laserablation) hergestellt. Bei der Herstellung von SQUIDs kommen unterschiedliche Materialien zur Anwendung, die bei unterschiedlichen Temperaturen supraleitend werden. Wird ein SQUID zum Beispiel aus Niob angefertigt, muß es im Betrieb extrem stark abgekühlt werden, üblicherweise nimmt man dazu flüssiges Helium bei 4 Kelvin (entspricht -269 Grad Celsius). So genannte Hochtemperatursupraleiter funktionieren schon bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff, 77 Kelvin (entspricht -196 °C). Der Betrieb dieser Materialien ist viel kostengünstiger, da Stickstoff leichter zu gewinnen ist und man ihn auch leichter verflüssigen kann. Allerdings ist der Herstellungsprozess für SQUIDs aus Hochtemperatursupraleitern bedeutend aufwändiger, so dass sie ungleich teurer sind. Außerdem ist bei höheren Temperaturen das Rauschen höher und damit die Feldempfindlichkeit geringer.

Betrieb

Aufgrund der Periodizität der Fluss-Spannungs-Kennlinie lassen sich mit einem SQUID keine absoluten Werte magnetischer Feldstärken messen, sondern nur Feldstärkeänderungen. Möchte man Flussänderungen messen, die größer als ein Flussquantum sind, muss dem SQUID eine Elektronik nachgeschaltet werden, die, über eine Induktionsspule, die jeweilige Flussänderung im SQUID-Ring kompensiert und es so auf einem festen Arbeitspunkt betreibt. Eine derartige Elektronik nennt man Flussregelschleife. Durch allgegenwärtige magnetische Hintergrundfelder (zum Beispiel das Erdmagnetfeld aber auch Störungen durch Stromleitungen und elektrische Geräte in der Umgebung) ist ein SQUID an sich ständig starken Störungen ausgesetzt. Um diese einigermaßen auszumerzen, kann man die Messung entweder in einer magnetisch abgeschirmten Umgebung vornehmen oder zum Beispiel zwei SQUIDs eng neben einander und entgegengesetzt koppeln (SQUID-Gradiometer) um nur Felder wahrzunehmen, die ihren Ursprung in unmittelbarer Nähe des SQUIDs haben.

Anwendungen

SQUIDs werden vielfältig angewendet, wenn es gilt, winzige magnetische Flüsse zu messen. SQUID-Suszeptometer werden eingesetzt, um die magnetischen Eigenschaften von Materie zu messen. In der Medizin werden SQUIDs benutzt, um die Magnetfelder zu messen, die von Strömen im menschlichen Körper, z.B. Gehirnströmen (Magnetoenzephalographie [MEG]) oder Herzströmen (Magnetokardiographie [MKG]) herrühren. Außerdem werden sie zur Detektion von Kernspinresonanzen in niedrigen Magnetfeldern benutzt, wodurch sich ein weiteres Anwendungsgebiet in der Medizin erschließt, nämlich das Erstellen von Magnetresonanztomographien. In der Geologie und der Archäologie werden SQUIDs eingesetzt, um sehr feine Änderungen des Erdmagnetfeldes an der Oberfläche zu ermitteln, damit kann man die unterirdischen Strukturen (geologische Schichten, Erzvorkommen oder Strukturen von Gebäudeüberresten) feststellen, die mit anderen Methoden nicht feststellbar sind. SQUIDs werden auch zur zerstörungsfreien Materialprüfung eingesetzt. Hierbei sind insbesondere Raster-SQUID-Mikroskope und SQUID-detektierte Wirbelstromprüfverfahren zu nennen. In einigen Fällen werden SQUIDs als hochempfindliche Messverstärker eingesetzt (SQUID-Verstärker). In neuerer Zeit gibt es Forschungsprojekte mit dem Ziel, rf-SQUIDS als Qubits für Quantencomputer einzusetzen.

Sonstiges

Das elektrostatische Analogon zum SQUID ist der Einzelelektronentransistor (Single-Electron-Transistor [SET]).

Literatur


- John Clarke, Alex I. Braginski: The SQUID Handbook, Vol.1 : Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems
- John Clarke, Alex I. Braginski: The SQUID Handbook, Vol.2 : Applications
Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Magnetismus Kategorie:Quantenphysik

Supraleiter

Supraleiter sind Materialien, die beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur fast sprunghaft ihren elektrischen Widerstand verlieren und unterkritische Magnetfelder aus ihrem Inneren verdrängen. elektrischen Widerstand Im Gegensatz zu einem idealen Leiter ist Supraleitung auch immer mit der Verdrängung magnetischer Feldlinien aus dem Inneren des Supraleiters verbunden, wenn dieser im Magnetfeld unter die Sprungtemperatur gekühlt wird (Meißner-Ochsenfeld-Effekt). Durch den Effekt kann eine kleine supraleitende Probe im Magnetfeld zum Schweben gebracht werden. Ob und bei welcher Sprungtemperatur die Supraleitung einsetzt, ist materialabhängig. Weiterhin reduzieren Magnetfelder die Sprungtemperatur. Aufgrund des verschwindenden Widerstandes kann sich im Inneren eines Supraleiters bis zu einer kritischen Feldstärke kein Magnetfeld ausbilden. Ein von außen angelegtes Magnetfeld induziert sofort einen Kreisstrom, der im Inneren des Supraleiters ein entgegengesetztes Feld aufbaut, welches das äußere kompensiert. Diese Interpretation erklärt aber nicht das Verdrängen von Magnetfeldern, die sich vor dem Eintritt der Supraleitung im Körper befunden haben.

Einteilung

Je nach ihrem Verhalten im Magnetfeld unterscheidet man drei Typen von Supraleitern.

Supraleiter 1. Art

Magnetische Feldlinien werden in Supraleitern 1. Art bis auf eine dünne Schicht an der Oberfläche vollständig aus dem Inneren verdrängt. Das Magnetfeld nimmt an der Oberfläche des Supraleiters exponentiell ab; das charakteristische Maß der Oberflächenschicht ist die so genannte (Londonsche) Eindringtiefe. Man bezeichnet diesen Zustand auch als Meissner-Phase. Ein Supraleiter 1. Art wird normalleitend, wenn entweder das äußere Magnetfeld einen kritischen Wert B_c oder die Stromdichte durch den Supraleiter einen kritischen Wert J_c überschreitet. Die meisten metallischen Elemente zeigen dieses Verhalten und haben in der Regel eine sehr niedrige Sprungtemperatur im Bereich weniger Kelvin. Beispiele sind Blei und Aluminium

Supraleiter 2. Art

Supraleiter 2. Art befinden sich nur bis zu einem unteren kritischen Magnetfeld B_ in der Meissner-Phase, darüber können magnetische Feldlinien in Form so genannter Flussschläuche in das Material eindringen (Shubnikov- oder Mischphase), ehe der supraleitende Zustand bei einem oberen kritischen Magnetfeld B_ vollständig zerstört wird. Der magnetische Fluss in den Flussschläuchen beträgt immer ein ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Flussquants: \Phi_0~=~h / ( 2 e_0) = 207 \cdot 10^ \mathrm Ein Beispiel für Supraleiter 2. Art sind die so genannten Hochtemperatursupraleiter, deren kompliziertes Kristallgitter durch Kupferoxid-Ebenen bestimmt ist. Zwei wichtige Gruppen sind YBaCuO (Yttrium-Barium-Kupferoxide) und BiSrCaCuO (Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxide).

Supraleiter 3. Art

In der Mischphase von Supraleitern 2. Art kommt es zu folgendem Effekt: Fließt ein Strom mit der Dichte J durch den Supraleiter, so übt er auf die Flußschläuche eine Lorentzkraft F_L~=~J \cdot \Phi_0 \cdot l (l = Länge des Flußschlauchs) senkrecht zu J und dem Magnetfeld B aus. Daher wandern die Flußschläuche mit der Geschwindigkeit v quer durch das Material. Dabei verschwinden die Schläuche an einem Rand und bilden sich am gegenüberliegenden Rand neu. Diese Feldbewegung verursacht wiederum eine Lorentzkraft F_Q, welche nach der Lenzschen Regel dem Strom entgegengesetzt ist. Diese Gegenkraft bewirkt einen Spannungsabfall, es entsteht also ein elektrischer Widerstand im Supraleiter! Um das zu verhindern, können in das Kristallgitter gezielt Störstellen (Pinningzentren) eingebaut werden, welche die Flußschläuche bis zu einer bestimmten Grenzkraft festhalten. Erst wenn die Lorentzkraft F_L diese Grenze übersteigt kommt es zur Drift und damit zum elektrischen Widerstand. Supraleiter mit einer großen Grenzkraft bezeichnet man als Supraleiter 3. Art oder auch harte Supraleiter.

Einige Supraleitende Materialen

Konventionelle Supraleitung

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt tritt bei fast allen Metallen und auch vielen anderen Materialen Supraleitung auf. Metall Diese so genannte klassische Supraleitung wird durch eine Paarbildung von Elektronen (Cooper-Paare) im Supraleiter erzeugt. Bei der normalen elektrischen Leitung entsteht der elektrische Widerstand durch Wechselwirkungen der Elektronen mit Gitterfehlern des Kristallgitters und Gitterschwingungen. Darüber hinaus können auch Streuprozesse der Elektronen untereinander eine wichtige Rolle spielen. Durch die Kopplung der Elektronen im Supraleiter zu Cooper-Paaren wird die Energieabgabe an das Kristallgitter unterdrückt und so der widerstandslose elektrische Stromfluss ermöglicht. Die vollständige Theorie zur Beschreibung der klassischen Supraleitung beruht auf quantenphysikalischen Effekten (siehe BCS-Theorie). Die beiden einzelnen Elektronen sind Fermionen, die sich zu einem bosonischen Paar zusammenschließen, und dabei einen makroskopischen Quantenzustand einnehmen (vgl. auch Superfluidität).

Eigenschaften

Supraleiter, mit geringfügigen Unterschieden zwischen 1. und 2. Art, besitzen neben dem praktischen Verlust des elektrischen Widerstandes und dem Verdrängen von Magnetfeldern aus ihrer Struktur noch einige andere Eigenschaften. Die meisten lassen sich mit der BCS-Theorie oder der für die Supraleitung benutzten Gibbs-Funktion der freien Enthalpie erklären. Die freie Enthalpie der jeweiligen Phase kann man über verschiedene Beobachtungsparameter (z.B. Druck, Temperatur, magnetischen Feld) berechnen. Die Gibbs-Funktion ist in diesem Fall durch ein Minimum festgelegt, d.h. die supraleitende Phase wird instabil im Vergleich zur normalleitenden Phase, wenn die freie Enthalpie der supraleitenden Phase größer ist, als die der normalleitenden (und umgekehrt). Das kritische Feld B_c, bei dem die Supraleitung zusammenbricht, kann als Funktion der Umgebungstemperatur T betrachtet werden. In der Nähe des absoluten Nullpunktes muss B_c aufgewendet werden um die supraleitende Phase zu zerstören. Beim Erreichen der Übergangtemperatur T_c bricht die supraleitende Phase auch ohne ein äußeres Magnetfeld zusammen. Die Funktion des äußeren kritischen Magnetfeldes kann gut angenähert mit B_c(T)=B_c(0)\cdot(1-(T/T_c)^2) beschrieben werden. Die Erklärung für den Zusammenbruch der Supraleitung bei ausreichend hohen Magnetfeldern, liegt in der Bindungsenergie der Cooper-Paare. Wenn eine Energie auf die Cooper-Paare wirkt, die größer ist, als ihre Bindungsenergie, dann brechen sie auf, was den Übergang in die normalleitende Phase beschreibt. Die Umgebungstemperatur muss entsprechend niedriger sein, um diesen Vorgang mit der Kondensation von Cooper-Paaren zu kompensieren. Die kritische Energie kann nicht nur durch magnetische Felder erzeugt werden. Zur Umgebungstemperatur wurden auch Funktionen mit dem (1)Druck und (2)elektrischen Feldern gefunden. Da das Aufbrechen von Cooper-Paaren endotherm ist, kann man durch ein Magnetfeld B_c und einen darin befindlichen Stoff im Supraleitenden Zustand die Umgebung des Supraleiters abkühlen. Als technische Anwendung ist dieser Kühlprozess per Entmagnetisierung jedoch uninteressant. (1)Bei sehr hohem Druck sinkt im allgemeinen die kritische Umgebungstemperatur. Allerdings gibt es teilweise auch umgekehrte Abhängigkeiten. Diese Anomalie einiger Stoffe kommt durch eine strukturelle Umwandlung des Leiters durch den hohen Druck zustande. Die kritische Temperatur des Stoffes kann bei zunehmenden Druck zuerst sinken, dann kommt bei einem bestimmten Druck zur Bildung einer Modifikation, die plötzlich höhere Übergangstemperaturen aufweist. Zu diesen Hochdrucksupraleitern gehören auch Stoffe bei denen bisher nur bei hohem Druck ein Übergang in die supraleitende Phase beobachtet wurde. (2)Legt man eine Spannung an einen Supraleiter an, so zerstört dieses elektrische Feld ab einer bestimmten Stärke die Supraleitung. Dieser Effekt ist gemäß Forschungen von Silcher und Wamgal abhängig von der relativen Luftfeuchte. Eine Erklärung dieses Sachverhaltes steht noch aus. Das Volumen eines Stoffes in der normaleitenden Phase V_n(bei Temperaturen T>T_c) ist kleiner als das Volumen in der supraleitenden Phase V_s (T. Ist T = T_c so entsprechen sich beide Werte ungefähr(V_s = V_n). Dies ist deshalb interessant, da während der Übergangsphase beide Phasen S und N nebeneinander im Leiter existieren. Um dieses Phänomen zu erklären, sind allerdings intensivere Überlegungen notwendig. Die spezifische Wärmekapazität geht im supraleitenden Zustand verloren, da jede zugeführte thermische Energie nur Cooper-Paare aufbricht und somit nicht als kinetische Energie an die Teilchen weitergegeben wird. Der supraleitende Zustand hat wenig Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Man muss diesen Einfluss für zwei Arten von Stoffen betrachten. Zum einem Stoffe bei denen Wärme vor allem über das Gitter weitergegeben wird, was einen Großteil von Leitern ausmacht. Diese Wärmeleitung wird in der Nähe von T_c durch die starken Interferenzen an den Übergängen zwischen S und N-leitenden Schichten behindert, bei T < T_c jedoch durch die fehlenden Wechselwirkung mit den Elektronen im Vergleich zur normalleitenden Phase besser. Bei Stoffen in denen die Elektronen einen großen Anteil an der Wärmeleitung haben, wird diese logischerweise schlechter. Es wurde in dieser Beziehung darüber nachgedacht Supraleiter als über ein kritisches Feld steuerbare Schalter für Wärmeströme einzusetzen.

Hochtemperatursupraleitung

Die Hochtemperatursupraleitung ist ein relativ neues Forschungsgebiet (seit 1986). Keramische Materialien spezieller Zusammensetzung zeigen Supraleitung schon bei relativ hohen Temperaturen (bis zu 138,15 K = -135 °C). Bisher ist die Ursache der hohen Sprungtemperaturen nicht bekannt, aufgrund der Experimente (fehlender Isotopeneffekt) kann jedoch eine anziehende Wechselwirkung durch Phononen wie bei der konventionellen Supraleitung (BCS-Theorie) ausgeschlossen werden. Stattdessen vermutet man antiferromagnetische Spin-Spin-Wechselwirkungen, die durch die spezielle Gitterstruktur der keramischen Supraleiter zu einer anziehenden Wechselwirkung benachbarter Elektronen und damit einer Paarbildung ähnlich den Cooper-Paaren der BCS-Theorie führen. Nach dem bisherigen Stand der Theorie erscheint jedoch Supraleitung bei Zimmertemperatur (20 °C) kaum möglich zu sein. Jedoch ist es möglich, diese Supraleiter mit flüssigem Stickstoff relativ billig in die supraleitende Phase zu bringen, da die Siedetemperatur von Stickstoff mit 77 Kelvin (-196 Grad Celsius) unterhalb ihrer Sprungtemperatur liegt. Der bekannteste Vertreter ist hierbei das Yttrium Barium Kupfer Oxid, das auch als YBaCuO oder YBCO bezeichnet wird, mit der Formel YBa2Cu3O7-δ.

Anwendungen

Aus supraleitenden Spulen hergestellte Elektromagnete werden genutzt, um energiesparend starke Magnetfelder zu erzeugen, da der fließende Strom nicht wie in konventionellen Magneten in kürzester Zeit durch die Abgabe von Wärme verbraucht wird. Eine wichtige technische Anwendung solcher Magnete liegt in der NMR-Spektroskopie und der darauf aufbauenden Magnetresonanztomografie (MRT), Verfahren für die meist sehr hohe magnetische Feldstärken benötigt werden (z.B. werden in zur Zeit gebräuchlichen MRT-Geräten Magnete mit etwa 800 Spulenwicklungen eingesetzt, die bei einem Strom von circa 400 Ampere magnetische Feldstärken von 1,5 Tesla erzeugen). Das Magnetfeld bleibt, sofern der Magnet permanent gekühlt wird, über mehrere Jahre konstant. Supraleitende Magnete werden auch in Teilchenbeschleunigern eingesetzt, um geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen und gegebenenfalls mit hohen Geschwindigkeiten auf einer Kreisbahn zu halten. In der Physik der ultratiefen Temperaturen sind supraleitende Magnete ebenfalls von großer Bedeutung, da mit ihnen z.B. effizient die notwendigen Felder zur Magnetischen Kühlung erzeugt werden können. Effekte aus dem Umfeld der Supraleitung werden weiterhin in der Messtechnik eingesetzt, um extrem kleine Magnetfelder zu messen (siehe auch SQUID, Josephson-Effekt). Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet stellt sich zukünftig in der Speicherung von Fusionsplasma mittels starken Magnetfeldern von bis zu 5 Tesla dar. Die dafür benötigten supraleitenden Spulen müssen das Plasma in einem Magnetfeld von den Kernfusionsreaktorwänden fernhalten, um eine Verunreinigung des Plasmas zu verhindern. In moderneren Stellarator-Reaktoren dienen die Spulen ebenfalls zur Bewegung des Plasmas und zur konstanten Aufrechterhaltung der Kernfusion. Die Verwendung von Supraleitern 2. Art zum Transport höherer elektrischer Ströme beherbergt die Schwierigkeit, dass diese Materialien beim Übergang in den Normalzustand nicht wie die Metalle zu normalen, guten el. Leitern werden sondern - mit guter Näherung- zu Isolatoren. Wenn ein solcher stromführender Supraleiter (z.B. durch überschreiten der max. Stromdichte) in den Normalzustand wechselt, so löst der durch die Leitungsinduktivität kurz weiterfließende Strom das Material in eine Qualmwolke auf. Daher ist es notwendig, solche Materialien als mikroskopisch dünne Fäden in einen normalen Leiter (z.B. Kupfer) einzubetten. Die Schwierigkeit, aus diesen keramikartigen Materialien dünne Fäden zu ziehen, ist einer der Haupthindernisse für den Einsatz bei höheren Stromstärken. Es ist jedoch denkbar, dass Hochtemperatursupraleiter als Kurzschlussstrombegrenzer in Energieverteilungsnetzen eingesetzt werden. Dabei bewirkt eine erhöhte Stromdichte im Kurzschlussfall, dass der Supraleiter zuerst in den Mischbereich und anschließend in den normalleitenden Bereich übergeht. Der Vorteil gegenüber Kurzschlussstrombegrenzungsdrosseln ist, dass ein Spannungsabfall während des Normalbetriebes nur stark vermindert auftritt. Ferner kann als Vorteil gegenüber Sicherungen und KS-Begrenzern mit Sprengkapseln festgehalten werden, dass der supraleitende Zustand ohne Austausch von Betriebsmitteln wieder erreicht wird und ein Normalbetrieb kurze Zeit nach dem Fehlerfall wieder möglich ist.

Geschichte

Bevor Experimente bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts durchgeführt werden konnten, gab es verschiedene Theorien, wie sich der elektrische Widerstand in diesem Temperaturbereich verhalten würde, so z.B. dass der Widerstand stark ansteigen würde oder dass er ein bestimmtes Niveau nicht unterschreiten würde. Der Effekt der Supraleitung wurde erstmals 1911 vom Niederländer Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Er beobachtete, dass Quecksilber unterhalb von 4,19 Kelvin sprungartig seinen elektrischen Widerstand verlor. Obwohl die Quantenmechanik damals noch neu war, postulierte er bereits, dass die Supraleitfähigkeit nur quantenmechanisch erklärt werden könne. Die erste phänomenologische Deutung der Supraleitung kam von den deutschen Physikern Fritz- und Heinz London in den 1930er Jahren. Im Jahr 1950 entstand die erfolgreiche phänomenologische Ginsburg-Landau-Theorie. Eine quantenmechanische Theorie der Supraleitung wurde erst im Jahre 1957 von den US-Amerikanischen Physikern John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer (BCS-Theorie) gegeben, wofür ihnen 1972 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde. Im Jahre 1986 publizierten der deutsche Physiker Johannes Georg Bednorz und der Schweizer Karl Alex Müller ihre Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung, wofür sie bereits 1987 den Nobelpreis erhielten. Eine Theorie über das Zustandekommen dieser Art Supraleitung steht noch aus. Die russischen Physiker Witali Ginsburg und Alexei Alexejewitsch Abrikossow erhielten 2003 den Nobelpreis für ihre Forschungen über die verschiedenen Typen von Supraleitern (Supraleiter 1. und 2. Art). Aug. 2005: Der weltweit erste Generator mit Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) wurde im Systemprüfhaus für Großantriebe der Siemens AG in Nürnberg erfolgreich in Betrieb gesetzt. Der Generator leistet rund 4000 kVA bei 3600 U/min.

Siehe auch

Tieftemperaturphysik, Supraleittechnik, Eugene Podkletnov, BCS-Theorie

Literatur

Werner Buckel: Supraleitung - Grundlagen und Anwendungen. VCH, Weinheim 1994. ISBN 3-527-29087-7

Weblinks


- [http://www.energie-fakten.de/html/supraleitung.html energie-fakten.de - Was kann die Supraleitung im Energiebereich leisten ?] (Link zu den Energie-Fakten.de)
- [http://www.physics4you.de/supraleitung physics4you.de - Weniger Verlust ist ein Gewinn] Multimedia-Show (Shockwave)
- [http://superconductors.org/Links.htm superconductors.org - Superconductor Links] (englisch) - Große Supraleiter Link-Liste
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=050720.rm br-online.de - Was ist Supraleitung?] Real Video Stream aus der Fernsehsendung Alpha Centauri Kategorie:Physik Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Festkörperphysik ja:超伝導

Physikalische Konstanten

In der Naturwissenschaft werden physikalische Größen als physikalische Konstanten oder Naturkonstanten bezeichnet, wenn sich deren numerischer Wert nicht ändert. Ihnen werden daher dieser konstante Zahlenwert und die der physikalische Größe entsprechende Einheit zugeschrieben. Man kann zusätzlich von elementaren (oder grundlegenden) und abgeleiteten Konstanten sprechen, wobei es auch oft willkürlich ist, welche Größe man hierbei als grundlegend und welche als abgeleitet bezeichnet. Erstere wurden daher oft nur als solche definiert, finden jedoch unabhängig davon, zumindest bislang, keine tiefere Erklärung in physikalischen Theorien. Letztere lassen sich aus den elementaren Konstanten berechnen. Beispielsweise ist der Bohrsche Radius mit Hilfe der Quantentheorie aus den elementareren Konstanten wie etwa dem Planckschen Wirkungsquantum, der Lichtgeschwindigkeit, der Elementarladung, der Elektronenmasse und der Protonenmasse berechenbar. Es ist jedoch eine wiederum nur durch eine Definition lösbare Frage, ob die Diracsche Konstante oder das Plancksche Wirkungsquantum hierbei die „elementare“ Naturkonstante darstellen. Abgeleitete und besonders phänomenologische Konstanten, wie etwa der Standardatmosphärendruck oder die Erdbeschleunigung sind dem Menschen in seiner Umgebung nützlich, haben aber in der Regel keine darüber hinausgehende Bedeutung grundlegender Art. Die Ziffern in Klammern hinter einem Zahlenwert bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes. (Beispiel: Die Angabe 6,672 42(10) ist gleichbedeutend mit 6,672 42 ± 0,000 10.) Die Unsicherheit ist als einfache Standardabweichung gegeben.

Konstanz der Naturkonstanten

Ob die sog. Naturkonstanten auch über astronomische Zeiträume hinweg wirklich konstant sind, ist Gegenstand aktueller Forschung. So schienen Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Keck-Teleskop auf Hawaii auf eine leichte Abnahme der Feinstrukurkonstante um etwa ein hunderstel Promille im Verlauf von zehn Milliarden Jahren hinzudeuten. Dieses Resultate waren von Anfang an umstritten; zum einen wiesen Forscher auf die unsichere Fehlerabschätzung der Datenauswertung hin, zum anderen gibt es Daten aus der Oklo-Mine in Westafrika, wo vor etwa 2 Milliarden Jahren Uran so stark angehäuft war, dass eine natürlichen Kettenreaktion stattfand. Nach diesen Daten aus der oklo-mine war die Feinstrukturkonstante zu dieser Zeit gleich wie heute. Neuere Messungen der Spektrallinien von Quasaren mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile widersprechen den früheren Resultaten am Keck-Teleskop und weisen auf die Konstanz der Feinstrukturkonstante hin. Inzwischen sind Präzisionsmessungen möglich, die stetige Schwankungen in der Grössenordnung, wie sie die Beobachtungen mit dem Keck-Teleskop nahelegen, auch im Labor in kurzen Zeiträumen überprüfen können. Theodor Hänsch et al. vom MPI für Quantenoptik konnte die Konstanz der Feinstrukturkonstante mit einer Genauigkeit von 15 Nachkommastellen in einem Zeitraum von vier Jahren zeigen. Siehe auch: Mathematische Konstanten, Physikalische Größe

Weblinks


- [http://www.ptb.de/de/publikationen/download/einheiten.pdf Die gesetzlichen Einheiten in Deutschland, Physikalisch-Technische Bundesanstalt]
- [http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ger_Complete_de.pdf Zusammenstellung vieler physikalischer Konstanten]
- [http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html NIST-Datenbank für physikalische Konstanten] (englisch)
- [http://www.faz.net/s/Rub163D8A6908014952B0FB3DB178F372D4/Doc~EFB46A4E8B3E74466981E31DEC944F2F3~ATpl~Ecommon~Scontent.html Die ewig Unveränderlichen FAZ-Artikel zu neuen Forschungsresultaten zur Konstanz der Naturkonstanten] Kategorie:Physik Physikalische Konstanten ja:物理定数 ko:물리 상수

Kryostat

Als Kryostat (griech. kryos = kalt) wird ein Kühlgerät bezeichnet, in dem sehr tiefe Temperaturen möglichst konstant eingehalten werden können.

Kühlprinzip

Die Kühlung des Kryostaten erfolgt entweder mit einer Kryoflüssigkeit oder mit einem Kleinkühler. Als Kryoflüssigkeit dienen oft flüssiger Stickstoff (Siedetemperatur: 77,4 Kelvin) und flüssiges Helium (Siedetemperatur: 4,2 Kelvin). Von den Siedetemperaturen abweichende Temperaturen können entweder durch Verdampfen und Aufheizen der Kryoflüssigkeit, oder durch Evakuieren des Kühlflüssigkeits-Bades und der damit verbundenen Erniedrigung des Siedepunktes erzielt werden. Mit einem üblichen Helium-Kryostaten sind Temperaturen bis etwa 1 Kelvin möglich. Tiefere Temperaturen erreicht man z.B. durch Verwendung des sehr seltenen und teuren Helium-Isotops 3He bzw. von Mischungen beider Helium-Isotope (3He-4He-Entmischungskühlung). Weitaus tiefere Temperaturen können durch die zusätzliche Verwendung der Methode der adiabatischen Entmagnetisierung erreicht werden.

Aufbau

Ein Kryostat ist meist in mehreren Schalen aufgebaut, wobei die Temperatur von außen nach innen bzw. von oben nach unten abnimmt. Diese Schichten der sogenannten Superisolation vermindern die Wärmestrahlung. Um Wärmeströme durch Wärmeleitung zu vermindern wird der innere Behälter nur mit wenigen Konstruktionen geringen Querschnitts und niedriger Wärmeleitfähigkeit an der äußeren Hülle befestigt. Zusätzlich kann zur Verminderung des Wärmeeintrags aus der Umgebung durch Konvektion der Zwischenraum dieser Behälter evakuiert werden. Um das Vakuum lange Zeit aufrecht zuerhalten werden Aktivkohle oder Zeolith als Kryosorptionspumpe eingebracht.

Anwendung

Da die Erzeugung und Erhaltung tiefer Temperaturen nicht zum Selbstzweck erfolgt, werden Kryostaten überall dort eingesetzt, wo Tieftemperatureigenschaften von Materialien oder Geräten benutzt werden:
- Kühlung von Strahlungssensoren
  - Fotoempfänger für mittleres Infrarot
  - Bildsensoren für rauscharme Wärmebild-Kameras
- SQUID-Systeme für:
  - Magnetoenzephalographie
  - Magnetocardiographie
  - supraleitende Quantencomputer
  - zerstörungsfreie Werkstoffprüfung
  - wissenschaftliche Grundlagenforschung
- Kühlung supraleitender Spulen
  - in der Medizintechnik Magnetresonanztomografie (MRT)
  - in der Grundlagenforschung (Fusionsreaktor nach dem TOKAMAK-Prinzip)
- Kryonik (Konservierung Verstorbener, um sie wenn möglich wiederzubeleben) Siehe auch: Tieftemperaturphysik, Kryoflüssigkeit, Supraleittechnik, Dewargefäß, Kühlfalle Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Laborgerät

Förster-Sonde

Eine Förster-Sonde (auch Saturationskern-Magnetometer, im Englischen fluxgate) ist ein Messinstrument zur vektoriellen Bestimmung des Magnetfeldes. Mit Förster-Sonden lassen sich Magnetfelder von 0,1 nT bis 1 mT messen. Bei Förster-Sonden werden periodisch weichmagnetische Kerne in die Sättigung getrieben. Die Kerne sind dabei von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, so dass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Liegt nun ein Magnetfeld an, so erzeugt die vektorielle Komponente in Richtung der Kerne ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist. Kategorie:Messgerät Kategorie:Magnetismus

Fluxgate

Eine Förster-Sonde (auch Saturationskern-Magnetometer, im Englischen fluxgate) ist ein Messinstrument zur vektoriellen Bestimmung des Magnetfeldes. Mit Förster-Sonden lassen sich Magnetfelder von 0,1 nT bis 1 mT messen. Bei Förster-Sonden werden periodisch weichmagnetische Kerne in die Sättigung getrieben. Die Kerne sind dabei von zwei gegensinnigen Empfängerspulen umwickelt, so dass in beiden Spulen in Abwesenheit eines Feldes sich die induzierten Spannungen aufheben. Liegt nun ein Magnetfeld an, so erzeugt die vektorielle Komponente in Richtung der Kerne ein resultierendes Signal in den Empfängerspulen, das proportional zum angelegten Feld ist. Kategorie:Messgerät Kategorie:Magnetismus

Amr

Amr ibn al-As ( † 664) war ein bedeutender arabischer Feldherr und Politiker. Amr ibn al-As entstammte einer wohlhabenden Kaufmannsfamilie aus Mekka die dem Stamm der Qurais angehörte. Nach seinem Übertritt zum Islam gewann er Stämme in Nordarabien für den neuen Glauben. In der Folgzeit begann er mit der Eroberung von Palästina und besiegte mit Chalid ibn al-Walid 634 die Byzantiner bei Adschnadain. 639 griff Amr mit 9.000 Mann das byzantinische Ägypten an. Nach der Eroberung der Festung Pelusium und dem Sieg bei Heliopolis über 18.000 Byzantiner ergab sich das Land den Eroberern. Nur in Alexandria konnten sich die Byzantiner behaupten. Erst nachdem 642 den Christen unter dem koptischen Patriarchen von Alexandria die Glaubensfreiheit zugesichert worden war, kam die Stadt unter die Kontrolle der Muslime. Als Statthalter von Ägypten residierte Amr in Fustat, einer neu gegründeten Lagerstadt, die die Vorgängerin von Kairo werden sollte. Er ließ die Amr-Moschee in Fustat errichten und den Kanal zwischen Nil und dem Roten Meer wieder instand setzen, um die Versorgung Arabiens mit ägyptischem Getreide sicher zu stellen. Nachdem Amr wegen zu geringer Steuereinnahmen 644 abgesetzt worden war, kehrte er 645 in sein Amt zurück als die Byzantiner Alexandria besetzten. Er vertrieb diese 646 aus der Stadt. In dieser Zeit soll er auch die Zerstörung der antiken Bibliothek von Alexandria angeordnet haben. Dies ist allerdings eine Legende, da die Bibliothek schon zuvor ihre Bedeutung verloren hatte. Während der Statthalterschaft von Amr kam es auch zu Kämpfen mit den Nubiern in Südägypten. Deren erfolgreicher Widerstand führte 652 zu einem Friedensabkommen, nach welchem die Nubier gegen die jährliche Lieferung von 360 Sklaven von den Arabern Wein, Getreide und Textilien erhalten sollten. Dieser Vertrag hatte bis ins 14. Jahrhundert Bestand und wurde immer wieder erneuert. Nachdem Amr vom Kalif Uthman erneut als Statthalter abberufen worden war, schürte er die Opposition gegen diesen und schloss sich unter Kalif Ali ibn Abi Talib den Umayyaden an. So nahm er an der Schlacht von Siffin (657) teil und war danach erneut bis zu seinem Tode Statthalter von Ägypten. Amr ibn al-As Amr ibn al-As Amr ibn al-As Amr ibn al-As

Hall-Effekt

Der Hall-Effekt, 1879 von Edwin Hall entdeckt, ist das Auftreten einer elektrischen Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter, welcher sich in einem stationären Magnetfeld befindet. Die Spannung fällt dabei senkrecht sowohl zur Stromfluss- als auch Magnetfeldrichtung am Leiter ab und wird Hallspannung U_ genannt. Die Stärke der Spannung kann mit der Hilfe der weiter unten hergeleiteten Formel :U_=R_H \cdot aus Stromstärke I, magnetischer Flussdichte B, Dicke der Probe d (parallel zu B) und einer Materialkonstanten -- der sogenannten Hallkonstanten R_ -- berechnet werden. Der Hall-Effekt trägt seinen Namen zu Ehren seines Entdeckers und hat nichts mit dem Nachhall in der Akustik zu tun.

Erklärung

Der Halleffekt tritt in einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter auf, der sich in einem Magnetfeld befindet, wobei sich ein elektrisches Feld aufbaut, das zur Stromrichtung und zum Magnetfeld senkrecht steht und das die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft kompensiert. Durch Anlegen einer Spannung an die Probe wird ein Strom angetrieben. Die Ladungsträger sind im allgemeinen Elektronen, es kann aber auch Löcherleitung in entsprechend dotierten Halbleitern vorherrschen. Die Elektronen bewegen sich entgegen der technischen Stromrichtung mit einer mittleren Geschwindigkeit v (Driftgeschwindigkeit) durch den Leiter. Wegen der durch das Magnetfeld verursachten Lorentzkraft wird das Elektron senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung abgelenkt. Hierdurch kommt es auf der entsprechenden Seite des Leiters zu einem Elektronenüberschuss (blau hervorgehoben), während die Elektronen auf der gegenüberliegenden Seite in demselben Maße verarmen (rot hervorgehoben). Man hat es also mit einer Ladungstrennung analog zu einem Kondensator zu tun. Die sich gegenüberstehenden negativen und positiven Ladungsüberschüsse verursachen ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf die Elektronen ausübt, die der Lorentzkraft entgegengesetzt ist. Die Verstärkung der Ladungstrennung kommt zum Stillstand, wenn sich beide Kräfte gerade kompensieren. Wie bei dem Kondensator kann eine Spannung abgegriffen werden, die hier als Hallspannung bezeichnet wird. Die Hallspannung folgt Strom- und Magnetfeldänderungen in der Regel unmittelbar. Sie steigt mit dem Magnetfeld linear an und ist indirekt proportional zur (vorzeichenbehafteten) Ladungsträgerdichte. Die Hallspannung ist insbesondere unabhängig von dem spezifischem Widerstand der Probe. Der Hall-Effekt wird sowohl zum Messen von Magnetfeldern (mit Hallsonde) als auch zur Bestimmung der Ladungsträgerart (Elektronen oder Löcher) und deren Dichte eingesetzt. Die spezifischen Eigenschaften des Leitungsvorganges werden durch die Hall-Konstante R_ wiedergegeben.

Herleitung

An dieser Stelle soll eine kurze Herleitung der Formel für die Hall-Spannung skizziert werden. Zum Verständnis sind Grundkenntnisse in der Vektoranalysis und Elektrodynamik hilfreich. Da wir bewegte Ladungsträger in einem magnetischen Feld betrachten ist unser Ausgangspunkt die Lorentzkraft: :\vec F=q(\vec E + \vec v \times \vec B) Beim Hall-Effekt baut sich ein kompensierendes elektrisches Feld auf, welches die ablenkende Wirkung des Magnetfeldes neutralisiert. Für die resultierende Kraft auf die Ladungsträger muss folglich gelten: :q(\vec E + \vec v \times \vec B)=0 Der Einfachheit halber wird das Koordinatensystem so gelegt, dass sich die Ladungsträger nur in x-Richtung bewegen und das Magnetfeld nur in z-Richtung wirkt. Es ist also \vec v=(v_x,0,0) und \vec B = (0,0,B_z). Damit wird die y-Komponente der obigen Gleichung nach Kürzen von q zu: :E_y - v_x \cdot B_z=0 Die Stromdichte j im Leiter lässt sich allgemein durch \vec j = n \cdot q \cdot \vec v ausdrücken. Löst man diese Beziehung nach v_x auf und setzt sie in obige Gleichung, so erhält man :E_y = \cdot j_xB_z = R_H\cdot j_xB_z Über diese Beziehung wird die Hallkonstante R_H definiert, welche die Stärke des Halleffektes charakterisiert. Um die Gleichung etwas handlicher zu machen fassen wir den Leiter, in dem ja eine Ladungstrennung stattgefunden hat, als Plattenkondensator auf. Es gilt in diesem die Beziehung : E_y = . Außerdem können wir die Stromdichte j_x im vorliegenden Fall durch j_x = I / bd ausdrücken. Setzt man diese beiden Schreibweisen ein, so erhält man für die Hallspannung U_ einen nur noch von einfach messbaren Größen abhängenden Ausdruck: : U_= \cdot = R_H \cdot . ; Verwendete Größen: : I - fließender Strom in Ampère [A] : \vec v - Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger im Leiter : b - Breite des Leiters beziehungsweise des Halbleiters : \vec B - magnetische Flussdichte in Tesla [T] : \vec E - elektrischen Feldstärke : d - Dicke des Leiters beziehungsweise des Halbleiters : n - Ladungsträgerdichte : q - Ladung eines Ladungsträgers (in Metallen eine negative Elementarladung) : R_ - Hallkonstante (eine Materialkonstante)

Anwendung

In der Elektronik wird der Hall-Effekt in sogenannten Hallsonden zur Messung der magnetischen Flussdichte benutzt. Fließt ein Strom durch den Leiter, so kann durch das Messen der erzeugten Hall-Spannung nach obiger Formel B berechnet werden. Materialien mit großer Hall-Konstante zeichnen sich dabei mit einer hohen Empfindlichkeit aus. Aus diesem Grund werden meist Halbleiter verwendet. Die Massenfertigung zum breiten Einsatz in der Industrie wurde erst durch die Integration von Hall-Platten in CMOS-Technologie möglich. Erst damit können Temperaturabhängigkeiten und andere Effekte kompensiert und die Hallspannung entsprechend ausgewertet und digital aufbereitet werden. Heute finden wir immer komplexere Hall-Sensoren auf CMOS-Basis in Anwendungen zur Winkel-, Positions-, Geschwindigkeits- und Strommessung. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Bestimmung von Ladungsträgerdichten durch Messen der Hall-Konstanten. Durch eine zusätzliche Messung der elektrischen Leitfähigkeit (oder des spezifischen Widerstands) ist es zudem möglich die Beweglichkeit der Ladungsträger im Material zu ermitteln.

Quanten-Hall-Effekt

Der Quanten-Hall-Effekt bewirkt, dass bei starken Magnetfeldern und tiefen Temperaturen um einige Kelvin die Hallspannung U_ geteilt durch den Strom I nicht beliebig variieren kann, wenn die Magnetfeldstärke variiert wird, sondern immer ein ganzzahliger Bruchteil der von Klitzing-Konstante R_ = \frac (Planck'sche Konstante durch das Quadrat der Elementarladung) ≈ 25,8 kOhm ist, also R_, \frac, \frac und so weiter. Die Genauigkeit, mit der diese Plateaus reproduziert werden können, ist so extrem gut, dass R_ durch internationale Verträge als Standard für den elektrischen Widerstand festgelegt worden ist. Der Quanten-Hall-Effekt ist weitgehend verstanden. Klaus von Klitzing bekam für diese Entdeckung 1985 den Nobelpreis.

Siehe auch

Hall-Winkel

Weblinks


- http://www.semibyte.de/dokuwiki/_media/nat:physik:hall-effekt.pdf – umfassende Beschreibung
- http://www.weltderphysik.de/de/1475.php – kurze Einführung zum Quanten-Hall-Effekt Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Elektrodynamik ja:ホール効果

Halbleitertechnik

Die Halbleitertechnik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und befasst sich mit der technischen Herstellung mikroelektronischer Bauelemente und mikroelektronischer Baugruppen (Integrierte Schaltungen) vorwiegend aus Halbleitermaterialien (siehe auch: Mikroelektronik). Die von der Halbleitertechnik eingesetzten Verfahren sind weitgehend chemischer und physikalischer Natur. Der überwiegende Teil der Bauelemente wird derzeit im Planarverfahren (Jean Hoerni - Realisierung mehrerer Schaltungsbestandteile in einem Substrat durch selektive Dotierung) hergestellt. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf dieses Verfahren. Die Funktion des mikroelektronischen Bauelements wird meist auf der Oberfläche eines Einkristalls aus Halbleitermaterial realisiert, indem man in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten auf das Basismaterial Schichten mit spezifischen elektrischen Eigenschaften (Schichten mit bestimmter Leitfähigkeit, Isolierschichten und Leiterbahnen) übereinander aufbringt. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Einzelschichten entstehen in der Schichtfolge Transistorfunktionen, Kondensatoren, Widerstände und auch andere Bauelemente. Aus der Kleinheit mikroelektronischer Bauelemente resultieren spezielle Anforderungen an das Fertigungsverfahren. So wird Partikelfreiheit im eigentlichen Herstellungsprozess und Staubfreiheit in der Fertigungsumgebung gefordert (Reinraumherstellung). In der Praxis wird häufig mit zwei verschiedenen Sichtweisen auf die Halbleitertechnologie geschaut:
- Die Einzelprozess-Sicht: hierbei werden die struktur- oder eigenschaftsändernden Verfahren an sich betrachtet unter dem Aspekt, welche Parameter der Prozesse zu den gewünschten physikalischen Eigenschaften (Dimension, Leitfähigkeit, Homogenität, usw.) führen
- Die Integrationssicht: in diesem Fall wird zunächst die zu realisierende Struktur - eine Transistorebene oder eine Leitungsebene - betrachtet unter dem Aspekt, welche Einzelprozesse zu den gewünschten elektrischen (oder seltener: mechanischen bzw. optischen) Eigenschaften der Struktur führen

Herstellungsprozesse

Die einzelnen Elemente der mikroelektronischen Schaltungen werden auf einem Halbleitersubstrat, meist einem sogenannten Wafer, durch Dotierung/Legierung des Substratmaterials und durch gezieltes Aufbringen funktionaler Materialschichten erzeugt.

Vorbereitung des Ausgangsmaterials

Wafer Im engeren Sinn wird die Herstellung des Ausgangsmaterials nicht unter Halbleitertechnologie gefasst, soll hier aber zur Vollständigkeit beschrieben werden: Bei der Gewinnung von Halbleitermaterialien (Silizium, Germanium, Verbindungshalbleiter wie Gallium-Arsenid) werden durch chemische und chemische-metallurgische Verfahren hochreine Einkristallsubstrate erzeugt (in wenigen Fällen, z. B. für Solarzellen, sind auch polykristalline Substrate im Einsatz). Um die einwandfreie Funktion der später zu realisierenden Bauteile zu gewährleisten, ist ein qualitativ sehr hochwertiges Substratmaterial erforderlich. Angestrebt wird ein möglichst fehlerfrei kristallisiertes, möglichst reines, homogenes Basismaterial. Sind diese Anforderungen nicht erfüllt, so können z. B. bei einzelnen Transistoren zufällig erhöhte Leckströme oder veränderte Arbeitspunkte auftreten. Auf Metallverunreinigungen liegt ein besonderes Augenmerk. Verunreinigungsniveaus im ppb- und ppt- Bereich sind hier typisch. Im Fall von Silizium wird aus einer mehrfach gereinigten Schmelze ausgehend von einem Keimkristall ein Zylinder von heute (2004) bis zu 300mm Durchmesser und mehr als einem Meter Länge gezogen (siehe Czochralski-Verfahren und Zonenschmelzverfahren). Der Zylinder wird in unter 1 mm dicke Scheiben – Wafer – zersägt, die Wafer werden geschliffen und poliert. In dieser Form findet das Halbleitermaterial üblicherweise Eingang in die eigentliche Fertigung der Bauelemente Zu den weltweit größten Herstellern von Siliziumwafern zählt das deutsche Chemieunternehmen Wacker/Siltronic.

Definition der Strukturen

Um auf dem Substrat verschiedene Bauteile und Schaltungselemente realisieren zu können, müssen auf dem Ausgangsmaterial Gebiete definiert werden, die vom folgenden Prozessschritt betroffen sind und solche, die nicht betroffen sind. Dazu wird die Fotolithografie - ein fotografisches Verfahren - eingesetzt (vereinfachte Darstellung):
- Auf dem Wafer wird zunächst ein lichtempfindlicher Fotolack aufgeschleudert (Spin-coating/spin-on).
- In einem Stepper (früher auch Scanner) wird das Abbild einer Maske durch Belichtung mit streng monochromatischem Licht (heute meist aufgeweiteter Laserstrahl) auf den lichtempfindlichen Fotolack übertragen.
- In einem chemischen Bad wird der Fotolack entwickelt, das heißt, die belichteten Bereiche (beim sogenannten Positivlack) des Lacks werden herausgelöst, nur die unbelichteten Bereiche verbleiben auf dem Wafer.
- Es folgt ein halbleitertechnischer Prozessschritt - Dotieren, Abscheiden, Ätzen
- Im anschließenden Prozessschritt wird der unbelichtete Fotolack ebenfalls entfernt - das kann durch nasschemische Verfahren oder durch Veraschung im Sauerstoff-Plasma erfolgen. Damit sind die Teile des Wafers durch den Fotolack abgedeckt, die durch die folgenden Prozessschritte unverändert bleiben. Die Strukturübertragung mittels Fotolithografie - einer der teuersten Prozessschritte in der Halbleiterherstellung - ist eine entscheidende Herausforderung in der traditionellen, auf Steigerung der Integrationsdichte durch Verkleinerung setzenden Planarhalbleitertechnik. Die Gesetze der Optik begrenzen hier schon heute die Möglichkeit zur weiteren Strukturverkleinerung. Daneben stößt man inzwischen aber auch bei anderen Prozessschritten an z.B. materialbedingte Grenzen. So erlauben z.B. die dielektrischen Eigenschaften bestimmter im Halbleiterprozess eingesetzter Materialen keine weitere Strukturverkleinerung. Weiterhin führt die Querschnittsverkleinerung der Leiterbahnen zu erheblichen Materialproblemen. Ein zumindest temporärer Ausweg ist hier der Übergang von der planaren zur 3-dimensionalen Technologie (vertikale und horizontale Positionierung einzelner Bauelemente), da hierdurch im Prinzip bei gleicher Bauteildimensionierung höhere Bauteilpackungsdichten realisierbar sind. Erste Schritte in Richtung 3D-Technologie werden derzeit gemacht. In diesem Zusammenhang äußerst wichtig sind auch Fragen, die mit dem Wärmetransport im Bauteil und der thermischen Belastbarkeit der verwendeten Materialien im Zusammenhang stehen. Diffusion, wärmeinduzierte Migration, Veränderung von Arbeitspunkten etc. sind hier wichtige Stichworte.

Dotieren des Ausgangsmaterials

Um die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters in bestimmten Regionen zu ändern, werden lokal Fremdatome in das Material eingebracht (Dotierung). Dies geschieht durch Ionenimplantation oder Diffusion. Die Fremdatome werden dabei in verschiedenen Tiefen und in unterschiedlichen regionalen Konzentrationen eingelagert.
- Tiefe Schichten mit geringer vertikaler Ausdehnung können dazu dienen, einzelne Transistoren in eine Isolationswanne zu legen, um sie so bezüglich ihrer Substratanschlüsse zu entkoppeln.
- Tiefe Schichten mit einer großen vertikalen Ausdehnung bis zur Oberfläche des Substrates können dazu dienen, in einem n-dotierten Substrat eine p-dotierte Wanne anzulegen, in der wiederum n-channel MOSFET Transistoren angelegt werden können.
- Oberflächennahe Dotierungen können als Source/Drain-Region von Transistoren oder als Widerstandsbereiche genutzt werden.
- Dotierung in Randbereichen ist eines der Verfahren, mit dem sogenanntes gestrecktes Silizium realisiert werden kann - Bereiche mit erweiterter Gitterstruktur, in denen erhöhte Ladungsträgermobilität herrscht und in denen daher hochperformante Transistoren erstellt werden können. Nach einer Implantation schließt sich immer ein Ofenprozess an (Temperung), um die implantierten Fremdatome, die sich auf Zwischengitterplätzen befinden, gleichmäßig in das Kristallgitter einzubauen und die im Kristallgitter entstandenen Schäden auszuheilen. (Das Kristallgitter des Substrats wird durch den Beschuß mit Ionen mechanisch geschädigt)

Abscheiden und Aufwachsen von Schichten

Schichten aus isolierenden und leitenden Materialien werden für viele Zwecke auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht.
- Im Ofenprozess durch Oxidation des Grundmaterials (hier: Silizium) aufgewachsene Oxidschichten haben eine so hohe Gefügequalität, dass sie als dielektrische Isolation für Steuerelektroden der Transistoren und Kondensatoren benutzt werden.
- Aus der Gasphase abgeschiedene Oxide oder Nitride (chemical vapor deposition (CVD)) werden zum Beispiel als Isolation zwischen verschiedenen Bauelementen oder als Opferschichten für Ätzprozesse erzeugt
- Durch Physikalische Gasphasenabscheidung oder Sputtern können zum Beispiel Metallschichten aus Aluminium oder Kupfer aufgebracht werden, aus denen dann Leiterbahnen herausgeätzt werden können.

Strukturieren von Schichten

Um im Grundmaterial Bereiche zu entfernen oder aus abgeschiedenen Schichten bestimmte Bereiche herauszulösen werden Ätzverfahren eingesetzt. Man unterscheidet zwischen anisotropen (richtungsunabhängig) und isotropen (richtungsabhängig) Ätzverfahren.
- Das anisotrope Plasmaätzen (Trockenätzen, Reaktives Ionen Ätzen, RIE) ist der heute vorherrschende Prozess zur Strukturierung. Dabei wird das Material abgebaut, indem reaktive Ionen auf die Waferoberfläche beschleunigt werden - damit hat der Prozess eine mechanisch/physikalische und eine chemische Komponente.
- Die Bedeutung des nasschemischen Ätzens im Säurebad ist zurückgegangen, es wird heute vorwiegend zur Entfernung kompletter Schichten (Opferschichten) und zur Entfernung von Prozessrückständen verwendet.
- Zur Versiegelung der Chip-Oberfläche, d.h. zur Passivierung, wird meist ein Silikatglas abgeschieden. Dieses Silikatglas muss an den Bondflächen für die Aussenkontaktierung entfernt werden. In dem Fall wird mittels Lithographie das Glas an den Bondflächen entfernt hierbei wird oft Flusssäure als Ätzmittel verwendet. Die Flusssäure greift das Silikatglas an während das reine Silizium unbeschadet bleibt.

Planarisieren, Reinigen, Messen

Dadurch dass z. B. Leiterbahnen ein gewisses strukturelles Muster auf der Oberfläche des Substrates erzeugen, kommt es zu störenden Unebenheiten (z. B. Störung der Lithographie durch Schrägreflexion, Ungleichmässigkeiten in folgenden Abscheidungen). Daher wird an mehreren Stellen im Fertigungsablauf der Wafer wieder planarisiert. Das kann durch selektives Zurückätzen oder durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen. Nicht nur das Polieren hinterlässt Partikel auf der Oberfläche, die für den nächsten Lithografieschritt völlig rein und eben sein muss. Auch z. B. Ätzprozesse hinterlassen Rückstände von unerwünschten Reaktionsprodukten. Im ersten Fall werden die Wafer mechanisch durch Bürsten und Ultraschallbad gereinigt, im zweiten Fall durch nasschemische Verfahren und ebenfalls Ultraschall. Um die feinen Strukturen und dünnen Schichten mit Toleranzen von wenigen Nanometern zuverlässig erzeugen zu können, braucht man weiterhin sehr leistungsfähige Messverfahren zur Prozesskontrolle. An die Produktionssteuerung werden erhebliche Ansprüche gestellt. Es liegt keine Fließfertigung vor, sondern eine so genannte Werkstattfertigung. Die Produktionsdauer für ein Los (i. allg. 25 Wafer) in einer typischen Halbleiter-Fabrik bei kontinuierlicher Fertigung (7 Tage pro Woche, 24 Stunden pro Tag) liegt zwischen einigen Tagen und einigen Monaten, abhängig von der Komplexität des Produktes.

Halbleiterstrukturen

Durch die Abfolge der Einzelprozesse werden auf (bzw. in) dem Halbleitersubstrat Wannen unterschiedlicher Leitfähigkeit, Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Leiterbahnen und vieles mehr realisiert. Exemplarisch wird das Zusammenwirken der Prozesse an der Struktur eines Transistortyps erklärt.

Transistorstruktur

Zur Herstellung einer Transistorebene auf einem Halbleitersubstrat ist eine Vielzahl der oben erklärten Prozessschritte notwendig.
- Die Transistorgebiete werden durch Lithografie definiert, aus den umliegenden Gebieten wird zunächst das Silizium ein Stück weit herausgeätzt und dann mit abgeschiedenen Siliziumoxid gefüllt, um die einzelnen Transistoren voneinander zu isolieren.
- Auf den verbleibenden Siliziuminseln wird in einem Ofen eine dünne Siliziumoxidschicht aufgewachsen - das spätere Gatedielektrikum des Transistors.
- Auf der gesamten Waferoberflache wird das Material für die Gateelektrode abgeschieden - in der Regel ein Stapel aus mehrerer Materialien, z. B. hochdotiertes Silizium, Metall und Isolationskappe.
- Mit einem Lithografieschritt werden die Strukturen der Gateelektroden definiert, dann wird das Gateelektrodenmaterial überall dort weggeätzt, wo kein Fotolack nach der Entwicklung mehr übrig war.
- In einem Ofenprozess wird an den nun offenen Flanken der Gatestrukturen ein Oxid zur Isolation und als Abstandshalter für die Folgeprozesse gebildet.
- Mittels Lithografie werden erst die n-channel MOSFET Transistorgebiete, dann die p-channel-Transistorgebiete abgedeckt, um jeweils die Source- Drain- Gebiete mit den richtigen Fremdatomen zu dotieren (Ionenimplantation).
- Um die Transistorebene gegen die folgenden Verdrahtungsebenen abzuschliessen wird eine dicke Isolationsschicht auf dem gesamten Wafer aufgetragen. Überall dort, wo die Gatestrukturen sind, bilden sich Buckel in der Isolationsschicht, die durch Chemisch Mechanisches Polieren entfernt werden müssen. Der heute übliche Fertigungsablauf für Transistoren enthält noch eine Vielzahl weiterer Prozesse, z. B. diverse Hilfsdotierungen oder dickere Gatedielektrika für Dickoxidtransistoren.

Geschichte der Halbleitertechnologie

Status und Ausblick

Die Entwicklungskosten der Technologie und der Produkte sind derartig hoch, dass seit spätestens Mitte der achtziger Jahre alle wesentlichen Neuerungen von der Industrieforschung (individuell und in Konsortien, wie Sematech, IMEC, Selete) und weniger von Universitäten oder staatlichen Forschungseinrichtungen entwickelt wurden (wichtige Beiträge unter anderem von IBM, Intel, Motorola, Philips). Die Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie bewegt sich im Dreieck Kostenanstieg durch Komplexität-Herstellungsprozesse, Kostenreduktion durch Miniaturisierung und Performancesteigerung/Integrationsdichtesteigerung. Bislang hat die Kostenreduktion durch Verkleinerung den Kostenanstieg durch Komplexitätszunahme überwogen und dadurch die Miniaturisierung vorangetrieben (siehe Mooresche Gesetz). Wie lange sich diese Entwicklung in die Zukunft fortschreiben lässt ist Gegenstand kontroverser Diskussion der Fachleute.

Umweltschutz

Zu Beginn der Massenfertigung von Halbleiterbauelementen wurde den Umweltschutzaspekten recht wenig Beachtung geschenkt. Vor allem im Silicon Valley kam es in den späten 60er und frühen 70er Jahren zu großflächigen Grundwasserverschmutzungen. Diese Vorfälle brachten erstmalig die Kehrseite einer bislang als besonders fortschrittlich geltenden Industrie zum Vorschein. In der Tat werden im Zusammenhang mit der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente umweltgefährdende Substanzen produziert, eingesetzt und emittiert. Hierzu zählen u.a. zahlreiche Schwer- und Halbmetalle, ozonschichtzerstörende Substanzen und Treibhausgase. Rückstände fallen - ggf. in umgewandelter und vermischter Form - als Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase an. Viele der Einsatzstoffe werden aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht recycled. Seit Mitte der 80er Jahre traten in vielen Industrieländern gesetzliche Regeln in Kraft, die die Industrie veranlaßt haben, Maßnahmen zur lokalen Reduzierung des Umweltgefährdungspotentials zu implementieren. In den Boomregionen Asiens werden Unweltschutzaspekte jedoch oft ökonomischen Interessen untergeordnet. Freiwillige Regularien wie die seit Mitte der 90er Jahre einsetzende internationale Standardisierung z. B. nach ISO 14001 (ENVIRONMENTAL MANAGEMENT SYSTEMS) greifen dort naturgemäß wenig, solange sie nicht von nationalem Recht unterstützt werden. (Hier wäre ein Link zu einem Artikel der die weltweiten Umweltauswirkungen von Grundstoffindustrie, Agrochemie, Energiewirtschaft, Verkehr etc. vergleicht ganz hilfreich)

Weblinks


- [http://www.siltronic.com/internet/webcache/de_DE/Products/Poster_2004.pdf Herstellung von Wafern]
- [http://www.alphasem.com/c/Die%20Attach/alphasem/Markets/tabid/1819/Default.aspx?keywort=Die%20Attach Verarbeitung von Wafern] Kategorie:Mikroelektronik Kategorie:Festkörperphysik

Erdmagnetfeld

es ab.]] Das Erdmagnetfeld ist ein Magnetfeld, das die Erde umgibt. An der Erdoberfläche hat das Feld die Form eines magnetischen Dipols, wie es auch von einem sehr kleinen Stabmagneten erzeugt wird. Die magnetischen Feldlinien treten auf der Südhalbkugel (dem magnetischen Nordpol der Erde) aus dem Kern aus und durch die Nordhalbkugel (dem magnetischen Südpol der Erde) wieder in den Kern ein. Das Erdmagnetfeld rührt jedoch nicht von einer Art Stabmagneten (dies ist nur eine Modellvorstellung) her, sondern von dem so genannten Geodynamo.

Aufbau

Geodynamo Das Erdmagnetfeld ist größtenteils statisch. Es weist in Nord-Süd-Richtung, daher richtet sich eine Kompassnadel in dieser Richtung aus. Dieser Umstand wird zur Navigation eingesetzt und war den Chinesen und Mongolen schon vor mehreren tausend Jahren bekannt. Die magnetischen Pole des Erdmagnetfeldes (die Pole auf die die Kompassnadel zeigt) fallen aber nicht genau mit den geographischen Polen der Erdachse zusammen, sondern sind derzeit (2005) um zirka 11,5° gegenüber der Erdachse geneigt. Daher unterscheidet man den geographischen Nordpol und Südpol, die durch die Richtung der Erdachse bestimmt sind, von den magnetischen Polen. In der Geophysik wird ein weiteres Polpaar definiert und verwendet, die geomagnetischen Pole, die sich von den magnetischen Polen um über 1000 Kilometer unterscheiden. Sie sind so definiert, als ob man sich das Erdmagnetfeld durch das Magnetfeld eines Stabmagneten erzeugt vorstellt. Das Magnetfeld der Erde lenkt die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ab. Satellitenmessungen ergeben, dass es durch diesen Sonnenwind auf der sonnenabgewandten Seite in großen Höhen stark verformt ist und nicht mehr einem Dipolfeld entspricht. Es bildet sich sogar ein Plasmaschweif aus. Durch magnetische Stürme, die durch den Sonnenwind verursacht werden, wird die Stärke des Feldes zudem kurzzeitig verändert, jedoch nur im Bereich von einigen 100 Nanotesla. Die Stärke des Magnetfeldes der Erde ist mit zirka 30 bis 60 Mikrotesla relativ klein, jedoch ist dieser Wert nur etwa ein Prozent der Feldstärke im Erdinneren. Aufgrund von magnetischen Materialien innerhalb der Erde treten kleine lokale Abweichungen (Anomalien) des Feldes auf. Im Jahr 2005 ergaben Messungen, dass das Erdmagnetfeld im Wesentlichen nur vier ausgedehnten Regionen der Übergangszone zwischen Kern und Mantel entspringt. So konzentriert sich der Magnetische Fluss auf Regionen in Nordamerika, Sibirien und die Küste der Antarktis. Diese Flecken entstehen und vergehen wohl über Jahrtausende und sind Zeugen der Veränderung der Konvektionsströme im Erdinneren. Das Erdmagnetfeld liegt nicht parallel zur Erdoberfläche, sondern tritt mit einem Inklinationswinkel in die Oberfläche ein. Diesen Winkel der Feldlinien kann man durch eine horizontal aufgehängte Kompassnadel bestimmen. Er beträgt in Deutschland etwa 60° gegenüber der Horizontalen. Am Nordpol und Südpol ist er zirka 90°, am Äquator 0°. Die Inklinationswinkel dienen vielen Zugvögeln als "Kompass" für den Vogelzug.

Entstehung und Aufrechterhaltung des Erdmagnetfeldes (Geodynamo)

Über die Entstehung des Erdmagnetfeldes gibt es verschiedene Theorien. Sicher ist, dass das Magnetfeld der Erde vom Erdkern ausgeht. Für die Entstehung von planetaren Magnetfeldern müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
- Es muss eine große Menge einer elektrisch leitenden Flüssigkeit oder eines solchen Gases vorhanden sein. Diese Bedingung erfüllt auf der Erde der flüssige äußere Erdkern, der stark eisenhaltig ist und den inneren festen Kern aus nahezu reinem Eisen umschließt.
- Es muss eine Energiequelle vorhanden sein, durch die sich das leitende Material bewegt. Der Erdkern ist etwa 5000 Grad Celsius heiß, also in etwa so heiß wie die Sonnenoberfläche. Neben thermischer Energie aus der heißen Vergangenheit der Erde und Wärme durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium ist weiterhin noch chemische Energie für die Wärme im Erdinneren verantwortlich. Wie in einer Lavalampe steigt heißes, flüssiges, weniger dichtes Eisen im Erdkern zum Mantel auf, wo es einen Teil seiner Wärme abgibt und somit wieder absinkt (diesen Vorgang bezeichnet man als Konvektion). Erstarrt das Eisen wieder am festen Erdkern, so wird Bindungsenergie frei, was zur erneuten Aufheizung des Materials führt.
- Der Planet muss rotieren. Wie die Luftmassen der Erdatmosphäre werden auch die Konvektionsströme im Erdinneren durch die Corioliskraft, also durch ihre eigene Trägheit abgelenkt und auf eine Schraubenbahn gezwungen. Durch diese Verwirbelungen der Konvektionsströme und damit auch der Feldlinien erhöht sich die magnetische Feldstärke. Als Ursache des Erdmagnetfeldes gelten Konvektionsströme im äußeren flüssigen Erdkern, die durch den Temperaturunterschied zwischen dem festen inneren Erdkern und dem Erdmantel aufrechterhalten werden. Dabei handelt es sich um flüssiges Eisen mit insgesamt dem sechsfachen Mondvolumen. Ähnlich dem in Dynamos und Stromgeneratoren angewandten Prinzip der Autoinduktion wird durch die Bewegung der elektrisch leitfähigen Schmelze ein elektrischer Strom induziert, von dem das Magnetfeld der Erde ausgeht. Man spricht daher auch vom Geodynamo. Das Erdmagnetfeld wird also aus der kinetischen Energie des Erdkerns erzeugt. Die Konvektion der Schmelze kann auch als Rotationsbewegung angesehen werden, die das Bestreben hat, die ursprüngliche Richtung der Rotationsachse, ähnlich dem Foucaultschen Pendel, beizubehalten. Dies ist eine alternative Beschreibung für die Ablenkung durch die Corioliskraft (siehe weiter oben). Daher liegen die magnetischen Pole etwa in der Nähe der geographischen Pole. Einer anderen Theorie zufolge tragen weiterhin auch die besonders vom Mond, aber auch von der Sonne und anderen Himmelskörpers ausgehenden Gezeitenkräfte zur Entstehung des Erdmagnetfeldes bei. Durch sie wird die Erde in ihrer Rotation allmählich abgebremst (siehe Gezeiten: Rückwirkungen auf Erde und Mond. Die Gezeitenkräfte wirken dabei auf den Erdmantel stärker als auf den Erdkern, denn der größere Radius des Erdmantels führt zu einem größeren Unterschied der Anziehung durch den Mond, da die dem Mond zu- und abgewandten Bereiche des Erdmantels weiter voneinander entfernt sind als die entsprechenden Bereiche des Erdkerns. In der Konsequenz bedeutet die stärkere Abbremsung des Erdmantels, dass der innere Erdkern ein wenig schneller rotiert als der Erdmantel, was nicht zuletzt durch die Wirkung des äußeren flüssigen Erdkerns als reibungsarmes Medium ermöglicht wird. Durch die schnellere Rotation des festen Erdkerns gegenüber dem Erdmantel wird ein elektrischer Strom induziert, der das Erdmagnetfeld hervorruft. Mittlerweile kann man diese als Superrotation bezeichnete schnellere Drehung des Erdkerns tatsächlich nachweisen. Erdbebenwellen zeitlich verschiedener Erdbeben vom selben Entstehungsort, die durch den Erdkern laufen, werden mit wachsendem Zeitabstand immer unterschiedlicher im Erdkern abgelenkt. Der unterschiedlicher Ankunftspunkt auf der gegenüberliegenden Erdseite kann dabei gemessen werden. Die Ablenkungsunterschiede rühren sehr wahrscheinlich von Inhomogenitäten des inneren festen Kerns her, die durch eine leicht schnellere Drehung des Kerns ihren Ort ändern. Aus diesen Analysen ergibt sich, dass der innere Erdkern 0,3° bis 0,5° pro Jahr schneller als der Erdmantel und die Erdkruste rotiert. Damit macht er zirka alle 900 Jahre eine zusätzliche Drehung. Man geht jedoch aktuell davon aus, dass diese Superrotation durch den Geodynamo selbst und nicht durch die Gezeiten angetrieben wird, das heißt, dass die Superrotation eine Folge aber nicht die Ursache des Geodynamos ist.

Geschichte der Erforschung des Erdmagnetfeldes

Erdbeben Im Jahre 1600 veröffentlichte der englische Arzt und Naturphilosoph William Gilbert sein Werk De Magnete, in dem er erstmals erkannte, dass die Erde die Ursache für die Ausrichtung der Kompassnadel ist. Messungen durch Henry Gellibrand in London ergaben zudem, dass das Magnetfeld nicht statisch ist, sondern sich langsam ändert. Seit der ersten Vermessung in den 1830er Jahren hat sich die Stärke des Erdmagnetfeldes um fast 10 Prozent verringert, in den letzten hundert Jahren allein um zirka 6 Prozent. Diese gewaltig schnelle Änderung ist noch nicht zu erklären, da selbst dann, wenn der Geodynamo sofort ausfallen würde, das Erdmagnetfeld sich viel langsamer in einem Zeitraum von 10.000 Jahren abbauen würde. Man vermutet daher, dass sich das Erdmagnetfeld momentan umpolt und daher zurzeit ein Gegenfeld aufgebaut wird, welches das Erdmagnetfeld weit schneller als bisher angenommen vorübergehend zum Erliegen bringen wird, bevor die Umpolung einsetzen kann. Die magnetischen Pole sind nicht ortsfest, sie wandern derzeit etwa 7,5 Kilometer pro Jahr.

Paläomagnetismus und die Umpolung des Erdmagnetfeldes

Henry Gellibrand Eisenhaltiges Gestein, das oberhalb des Curiepunktes erhitzt wird und sich dann abkühlt, wird in Richtung des äußeren Magnetfeldes, normalerweise des Erdmagnetfeldes, magnetisiert. Dies trifft für Vulkangestein zu, tritt aber auch bei Ziegeln oder Tongefäßen auf. Dadurch wird die damalige Magnetfeldrichtung gleichsam eingefroren und kann bis heute bestimmt werden. Das entsprechende wissenschaftliche Fach heißt Paläomagnetismus. Aufgrund der Rekonstruktion des Paläomagnetfeldes an erstarrter Magma der ozeanischen Kruste, die sich im Rahmen der Plattentektonik am mittelozeanischen Rücken ständig nachbildet, weiß man, dass sich das Erdmagnetfeld im Mittel etwa alle 250.000 Jahre umkehrt. Zuletzt hat sich dies allerdings bereits vor zirka 780.000 Jahren ereignet. Der Polsprung, also die magnetische Feldumkehr, geschieht dabei in einer relativ kurzen Zeitspanne von 4.000 bis 10.000 Jahren (Computersimulationen gehen von zirka 9000 Jahren aus). Offenbar verursachen Störungen im Geodynamo die Aufhebung der ursprünglichen Polarität. Umpolungen sind bis vor etwa 100 Millionen Jahren gut dokumentiert. Da das Magnetfeld derzeit abnimmt, könnte in nicht allzu ferner Zukunft eine Umpolung bevorstehen (Schätzung: Jahr 3000-4000), diese Vermutung ist wissenschaftlich jedoch noch nicht gesichert. Allgemein ist zu beobachten, dass die Häufigkeit der Polsprünge in den letzten 120 Millionen Jahren zugenommen hat. Während der Phase der Umpolung wäre die Erde dem Sonnenwind deutlich stärker ausgesetzt. Das korrespondiert mit der Beobachtung, dass in den entsprechenden Sedimentschichten gehäuft ein Artenwechsel von Kleinorganismen festgestellt werden konnte. Möglicherweise war daher die Oszillation des Erdmagnetfeldes und die damit einhergehenden DNA-Mutationen durch hochenergetische Strahlung ein Schrittmacher und zugleich bedeutender Antrieb der Evolution. Es gibt einige Anzeichen für eine bevorstehende Polumkehr. So gibt es Stellen in der Kern-Mantel-Zone, wo die Richtung des Magnetflusses umgekehrt ist als für die jeweilige Hemisphäre üblich (siehe weiter oben). Die größte dieser Regionen erstreckt sich südlich unter der Südspitze Afrikas nach Westen bis unter die Südspitze Südamerikas (Südatlantikanomalie, siehe am Ende des Artikels). Weitere Flussrichtungswechsel zeichnen sich unter der Ostküste Nordamerikas und unter der Arktis ab. Diese Bereiche vergrößern sich messbar und bewegen sich immer weiter polwärts. Mit diesem Phänomen lässt sich die Schwächung und anschließende Umkehrung des Dipolfeldes erklären. Die Flussumkehr entsteht, wenn sich auf der Kern-Mantel-Grenze durch Turbulenzen die Konvektionsströme und damit auch die magnetischen Feldlinien, die im Kern normalerweise horizontal verlaufen, zu vertikalen Schlaufen verbiegen. Tritt eine solche Schlaufe in einem Punkt aus dem Kern aus und in einem anderen wieder in ihn ein, so erhält man zwei räumlich nah beieinander liegende Orte mit unterschiedlicher Richtung des magnetischen Fluss. Diese Anomalien können das Gesamtfeld schwächen, wenn die Region mit dem umgekehrten Fluss näher am geografischen Pol liegt als die Region mit normalem Fluss, weil das Dipolfeld besonders empfindlich auf Veränderungen im Polbereich reagiert. Bis zur vollständigen Polumkehr werden also diese Anomalien immer weiter wachsen.

Beobachtung des Magnetfeldes

Derzeit wird das Magnetfeld in über 200 Laboratorien weltweit ständig gemessen und überwacht. Die Gesamtheit des Erdmagnetfeldes wird von Satelliten gemessen. Den Anfang markierte der NASA-Satellit Magsat im Jahre 1980, die momentan genauesten Daten liefert seit 2000 Champ, ein vom Geoforschungszentrum Potsdam entwickelter Minisatellit. Seine Messungen des Erdmagnetfeldes erreichen in Stärke und Richtung eine überaus große Genauigkeit von 0,0002 Prozent, darüber hinaus kann man mit ihm Echtzeitbeobachtungen machen. Seit 1995 werden auch numerische Computersimulationen eingesetzt, um herauszufinden, wie sich das Erdmagnetfeld in Zukunft verändern könnte beziehungsweise was die Ursachen für historische Veränderungen waren. Die Rechenzeiten sind meistens sehr lange, so benötigte die Aufstellung eines 3D-Modells der Veränderung des Erdmagnetfeldes über einen Zeitraum von 300.000 Jahren eine Rechenzeit von über einem Jahr (bei einer Arbeitszeit von 12 Stunden pro Tag). Die so entstandenen Vorhersagemodelle entsprechen recht genau der tatsächlichen momentanen oder historischen Entwicklung des Magnetfeldes und stützen so die oben dargelegten Theorien, jedoch ist nicht gesichert, inwieweit sie die Verhältnisse im Erdinneren realistisch wiedergeben. So können die Simulationen noch keine dreidimensionalen Turbulenzen im Erdinneren wiedergeben, außerdem ist ihre räumliche Auflösung noch sehr gering. Man hofft, die Computer bis 2015 entsprechend verbessern zu können. Bis dahin werden diese Untersuchungen durch meist aufwändige Laborversuche ergänzt. Schon seit den 1960er Jahren ist bekannt, wie man kleine Geodynamos im Labor erzeugen könnte. Schwierigkeiten bei der Umsetzung macht jedoch vor allem die extreme Verkleinerung der Wirklichkeit im Labor. Es mussten also eine entsprechende Reynolds-Zahl (gibt die maßstabsgerecht zulässige Verkleinerung an) und entsprechende Versuchsbedingungen gefunden werden. So gelang es erst im Jahre 2000 ein solches Magnetfeld mit flüssigem Natrium als Strömungsmedium im Labor zu erzeugen.

Geomagnetik

Neben den globalen Messungen werden magnetische Messungen in großer Zahl für die Angewandte Geophysik und Erkundung von Rohstofflagerstätten vorgenommen. Nicht zuletzt sind Richtungsmessungen mit Magnetsonden und Kompassen für Zwecke der Navigation und Geodäsie zu erwähnen.

Die Gefahren durch die Südatlantikanomalie

Anfang der 1990er Jahre wurde durch Satellitenmessungen festgestellt, dass die Stärke des Erdmagnetfeldes über dem südlichen Atlantik wesentlich schwächer ist. Es existiert sozusagen ein Loch, durch das leichter hochenergetische Partikel fließen können. Es wird vermutet, dass dieses Loch daher rührt, dass das Zentrum des magnetischen Feldes etwa 450 Kilometer vom geographischen Erdzentrum abweicht und die magnetischen von den geographischen Erdpolen abweichen. Der erhöhte Partikelstrom beeinflusst die Raumfahrt insofern, als Satelliten und Raumfahrzeuge, die die Anomalie im Orbit überfliegen, einer stärkeren Strahlung ausgesetzt sind als gewöhnlich. Dies ist für bemannte Raumflüge wichtig, aber es erhöht auch den Verschleiß von Solarzellen, die sich zur Energieversorgung auf der Erde befinden.

Orientierung am Erdmagnetfeld

Einige Tiere, so zum Beispiel Blindmäuse, Haustaube, Zugvögel, Meeresschildkröten, Haie und wahrscheinlich auch Wale nutzen das Erdmagnetfeld zur Orientierung. Dies geschieht durch eingelagerte ferromagnetische Substanzen in ihren Organen.

Erdmagnetfeld und Darwinismus

Genaue Berechnungen zur Änderung des Erdmagnetfeldes finden sich in Beiträgen zu der weitgehend US-amerikanischen Diskussion zwischen Kreationisten (Creationists) und Evolutionisten (Evolutionists). Das sind Anhänger der Idee einer Erschaffung der Welt und aller Lebewesen durch einen Schöpfer auf der einen Seite, und Vertretern der Darwin'schen Evolutionstheorie auf der anderen Seite. Im schnellen Abbau des Erdmagnetfeldes sehen die Kreationisten einen Hinweis auf eine Erschaffung der Welt vor wenigen tausend Jahren.

Literatur


- Volker Haak, Stefan Maus, Monika Korte, Hermann Lühr: Das Erdmagnetfeld - Beobachtung und Überwachung. Physik in unserer Zeit 34(5), S. 218 - 224 (2003), ISSN 0031-9252
- Rolf Emmermann und Volker Haak: Die Erde. Physik Journal 1 (2002) Nr. 10, Seiten 29-31
- U. R. Christensen, A. Tilgner: Der Geodynamo. Physik Journal 1 (2002) Nr. 10, Seiten 41-47
- U. R. Christensen, A. Tilgner: Power Requirement of the geodynamo …. Nature 429 (13 May 2004)
- Spektrum der Wissenschaft 09/05: Geheimnisvoller Geodynamo (S. 54-61)
- Dr. Thomas Priebe, der Untergang oder warum Atlantis in den Fluten versank > die Theorie schneller Bewegungen des tektonischen Plattensystems, über Manna-Verlag Dresden 2005 vgl. >
- Dr. Thomas Priebe, die Urgeschichte oder warum Moses Geschichten keine Fiktion sind > neue Aspekte zur Zivilisationsentwicklung, über Manna-Verlag Dresden 2005

Weblinks


- [http://www.phy6.org/earthmag/Dmagint.htm Zur Erinnerung an „De Magnete“, von William Gilbert]
- [http://www.vii.at/TAWAN/D102_Tawan_Herbst2004.htm#_Toc94116088 Erdmagnetfeld: Feldumkehr oder vorübergehende Schwächung] Kategorie:Erde Kategorie:Geophysik Kategorie:Geodäsie Kategorie:Magnetismus ja:地磁気

Ferromagnetismus

Der Ferromagnetismus (v. lat.: ferrum = Eisen + v. griech.: magnetis (lithos) = Stein aus Magnesien) ist ein kooperatives Phänomen von Festkörpern welches dadurch charakterisiert ist, dass elementare magnetische Momente eine parallele Ordnung aufweisen. Ferromagnetische Festkörper bezeichnet man als Ferromagneten. Die Bereiche gleicher Magnetisierung werden "Domänen" oder "Weißsche Bezirke" genannt. Sie treten in Größen von 0,01 mm bis 1 mm auf und sind im unmagnetisierten Zustand (der Substanz) nicht einheitlich orientiert. Die magnetische Ordnung wird bei hohen Temperaturen aufgebrochen, die Ferromagneten sind dann nur noch paramagnetisch. Die Temperatur, ab der die ferromagnetische Ordnung verschwindet, wird als Curie-Temperatur T_ (nach Pierre Curie, dem Mann von Marie Curie) bezeichnet. Der Paramagnetismus bleibt für alle Temperaturen oberhalb der Curie-Temperatur erhalten, selbst nach Übergang des Festkörpers in Flüssigkeitsphase oder Gasphase. Ferromagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur zeigen die Elemente Eisen, Nickel und Kobalt. Bei tieferen Temperaturen werden auch die Lanthanoide Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Terbium ferromagnetisch. In der Praxis verwendet man häufig ferromagnetische Legierungen wie z.B. AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, NiMo („Permalloy“), oder NiCuCo („Mumetall“). Bemerkenswert ist, dass unter bestimmten Umständen auch einige Verbindungen im Allgemeinen nicht ferromagnetischer Elemente ferromagnetisches Verhalten aufweisen, beispielsweise Chromdioxid oder Europiumoxid.

Physikalischer Ursprung

Träger der elementaren magnetischen Momente sind die Elektronenspins. Wie bei anderen kooperativen magnetischen Phänomenen ist auch beim Ferromagnetismus die magnetische Wechselwirkung viel zu schwach, um für die Ordnung der Spins verantwortlich zu sein. Bei der ferromagnetischen Ordnung kommt noch hinzu, dass die parallele Ausrichtung magnetischer Momente energetisch ungünstig ist. Verantwortlich für die parallele Spinordnung des Ferromagneten ist die Austauschwechselwirkung. Eine anschauliche Darstellung hierzu gibt die Bethe-Slater-Kurve, welche die Austauschwechselwirkung in Abhängigkeit des relativen Atomabstandes zeigt. Der relative Atomabstand ist hierbei das Verhältnis des Atomabstandes der benachbarten Atome zum Durchmesser der nicht abgeschlossenen Elektronenschale. In einem Satz: „Die Ordnung der magnetischen Momente wird durch die Austauschwechselwirkung vermittelt, nicht durch magnetische Wechselwirkung!“

Domänen

Die Austauschwechselwirkung wirkt nur zwischen Fermionen, deren Wellenfunktionen einen wesentlichen Überlapp aufweisen, in der Regel also nur zwischen nahegelegenen Teilchen. Die magnetische Wechselwirkung wirkt hingegen auch zwischen weit entfernt liegenden magnetischen Momenten. Daher steigt in einem ausgedehnten Ferromagneten der magnetische Energieaufwand irgendwann über den Energiegewinn der Austauschwechselwirkung. Die ferromagnetische Ordnung des Festkörpers zerfällt dann in unterschiedlich orientierte Domänen. Die Bereiche des Festkörpers, in denen unterschiedlich orientierte Domänen aufeinandertreffen, heißen Domänenwand. Je nach Drehsinn der Magnetisierung in der Wand spricht man von Blochwand oder Néelwand. Die Ausbildung der Domänenwand erfordert die Verrichtung von Arbeit gegen die Austauschwechselwirkung, die Verkleinerung der Domänen (des Volumens einer zusammenhängenden Domäne) reduziert die magnetische Energie eines Festkörpers. Diese Arbeit kann aus der Fläche der Hystereseschleife berechnet werden. Aufgrund der nicht kontinuierlich erfolgenden Ausrichtung der Weißschen Bezirke unter dem Einfluss äußerer Magnetfelder können sog. Barkhausensprünge beobachtet werden.

Siehe auch


- Magnetische Ordnung
- Antiferromagnetismus
- Ferrimagnetismus
- Paramagnetismus
- Diamagnetismus
- Pyromagnetismus
- Ferrofluid Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Magnetismus ja:強磁性

Erz

)]] ] ] ] Erze sind natürlich vorkommende Mineralaggregate von wirtschaftlichem Interesse, aus denen durch Bearbeitung ein oder mehrere Wertbestandteile extrahiert werden können. (Definition nach UK Institution of Mining and Metallurgy) Die Geschichte der Menschheit ist seit langem auch mit der Gewinnung von Stoffen aus der Natur verbunden. Stand zuerst nur die Gewinnung von Erden und Mineralen durch mehr oder wenig zufälliges Sammeln von frei vorkommenden Mineralen und Verwitterungsprodukten im Vordergrund, so wurde doch bald auch ein gezieltes Suchen und der Bergbau zur Beschäftigung des Menschen, die dann auch seine Sprache prägten. Viele Begriffe wurden geschaffen, um Bilder zu vermitteln, einer davon war der Begriff Erz.

Definitionen

Es gibt unterscheidende Definitionen für den Begriff "Erz": Historisch gesehen war der Begriff Erz immer mit metallischen Komponenten verbunden.

Historische Definitionen

Definition nach James F. Kemp 1909: Erz ist ein mehr oder weniger mit Gangart verwachsenes, metallhaltiges Mineral oder Mineralgemenge, das - vom Standpunkt des Bergmanns oder Aufbereiters betrachtet - mit Gewinn abgebaut, bzw. gewinnbringend weiterverarbeitet werden kann. Die Frage, ob ein Metall oder mehrere Metalle Gewinn abwerfen, scheint das einzig mögliche Kriterium zu sein, welches benutzt werden kann.

Weitere Informationen

Kategorie:Bergbau Kategorie:Petrologie Kategorie:Geologie Welche Erze gibt es? wieviel Prozent Metall ist üblicherweise drin? Entstehung? Welches Bild wird mit dem Begriff vermittelt?)

Blindgänger

Als Blindgänger bezeichnet man Munition z.B. Patronen, Granaten oder Bomben, die nach ihrer Benutzung (Abschuss oder Abwurf) nicht explodiert sind. Ursache dafür kann technisches Versagen, aber auch Sabotage bei der Produktion sein. In Deutschland stellen Blindgänger auch mehr als 60 Jahre nach Ende des 2. Weltkriegs ein ernstzunehmendes Problem dar. Vor allem in industriellen Ballungsräumen (Ruhrgebiet, Köln, Berlin), die primäres Ziel alliierter Luftangriffe waren, finden sich auch heute noch eine Vielzahl von Blindgängern im Erdreich. Häufig werden diese unabhängig von der gezielten Suche bei Baumaßnahmen entd