Waarom kunnen we kikkers laten zweven?

Heb jij er ooit over nagedacht een kikker, een muis of een sprinkhaan te laten zweven? Het kan dankzij een prachtige ontdekking genaamd supergeleiding, die ervoor zorgt dat stroom geen last meer heeft van elektrische weerstand. Je kunt er niet alleen kleine dieren mee laten zweven, het heeft ook praktische toepassingen zoals in MRI-scanners. Je hebt er wel extreem lage temperaturen voor nodig, die gelukkig dankzij moderne technieken bereikbaar zijn. WRM is deze ontdekking leuk en hoe werkt het? ­

Weerstand: lastige elektronen
Hoe komt het eigenlijk dat alledaagse stoffen die stroom geleiden last hebben van weerstand? Geleidende materialen, bijvoorbeeld koper, bestaan uit koperatomen met elektronen. Als er stroom door een koperdraadje loopt, betekent dat dat elektronen zich gezamenlijk in één richting bewegen. Deze beweging gaat echter niet ongehinderd. De elektronen botsen tegen de koperatomen, waardoor ze energie verliezen. Hierdoor ondervindt de elektrische stroom dus weerstand. Als je efficiënt stroom wil verplaatsen is dit natuurlijk vervelend, maar in elektrische kachels zorgt de weerstand juist voor de gewenste warmte.

Onbelemmerde elektronen
Maar wat is er dan aan de hand in supergeleidende materialen? Hierin ondervinden de stromende elektronen geen weerstand bij lage temperaturen, waardoor ze eeuwig kunnen blijven bewegen. Dit werd ontdekt door Kamerlingh Onnes, bekend vanwege zijn onderzoek naar superlage temperaturen (zie ook: WRM was Leiden ooit de koudste plek op aarde?). WRM verdwijnt die elektrische weerstand als het kouder wordt? Dit is helaas niet heel eenvoudig uit te leggen, omdat de achtergrond erg kwantummechanisch is, maar hieronder volgt toch een poging.

Bij lage temperaturen kunnen er in de roosters van atomen en elektronen Cooperparen ontstaan. Dit zijn twee verbonden elektronen, die samen door het rooster van positief geladen atoomkernen reizen. De paren ontstaan doordat een negatief geladen elektron bij een lage temperatuur de positief geladen deeltjes van het rooster iets naar zich toe kan trekken. Daardoor ontstaat er een ophoping van positieve lading om het elektron heen. Een tweede elektron wordt door deze positieve lading aangetrokken. Zo ontstaat een Cooperpaar dat zich, door een kwantummechanisch effect van de onderlinge verbinding, zonder weerstand door het rooster kan verplaatsen. Klinkt ingewikkeld, maar je kunt er veel mee doen!

Zwevende kikkers en treinen
Oké, dus die supergeleiding is leuk, maar hoe kan je er een kikker mee laten zweven? Dit is mogelijk doordat magnetische velden en een elektrische stroom met elkaar verbonden zijn. Een spoel waar stroom doorheen loopt zal een magneetveld opwekken, een bewegend magneetveld kan vice versa een elektrische stroom op gang brengen. Nu hebben bepaalde stoffen, zoals water, de eigenschap van het diamagnetisme. Wanneer je iets wat veel water bevat (zoals een kikker) in een magnetisch veld plaatst, dan zal er in de kikker een magnetisch veld ontstaan dat tegengesteld is aan het externe magnetische veld. Dit betekent dat het veld in de kikker en het externe veld elkaar afstoten, met als gevolg dat de kikker blijft zweven. Dankzij de geweldige eigenschappen van supergeleiding is het mogelijk een magnetisch veld op te wekken dat hier sterk genoeg voor is. Behalve dat je kikkers kunt laten zweven, blijkt het opgewekte veld ook geschikt voor gebruik in MRI-scanners.

Verder wordt er veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheid treinen te laten zweven met behulp van magneetvelden. Alleen supergeleiding kan magneetvelden opwekken die sterk genoeg zijn om een trein in de lucht te houden. In Japan worden al tests gedaan met de eerste zweeftreinen. Doordat er geen contact is met de rails, is er geen rolweerstand en kunnen deze treinen zeer hoge snelheden (tot wel 550 kilometer per uur) behalen. Bovendien zijn er geen wielen die verslijten, waardoor er minder fijnstof ontstaat. Zouden deze treinen ook geen last meer hebben van blaadjes op de rails?

Meer lezen?
http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=168165