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Supraleitung und Tieftemperaturphysik 1
Superconductivity and Low Temperature Physics 1

Modul PH2031

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2018/9 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
WS 2018/9WS 2017/8WS 2010/1

Basisdaten

PH2031 ist ein Semestermodul in Deutsch oder Englisch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 60 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2031 ist Rudolf Gross.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Dieses Modul gibt einen fundierten Einblick in die faszinierenden Eigenschaften und Anwendungen von Supraleitern. Im Einzelnen werden folgede Themenbereiche behandelt:

  • Geschichte der Supraleitung
  • Grundwissen (supraleitende Materialien, Supraleiter im Magnetfeld, Typ-I und Typ-II Supraleiter, Thermodynamik)
  • phänomenologische Beschreibung der Supraleitung (London- und Ginzburg-Landau Theorie)
  • Fluss-Quantisierung, Josephson-Effekte, supraleitende Quanteninterferometer
  • Grundzüge der BCS-Theorie
  • kritische Ströme
  • Grundwissen zur Hochtemperatur-Supraleitung
  • Anwendungen der Supraleitung

Lernergebnisse

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

  • die historische Entwicklung des Forschungsgebiets der Supraleitung zu beschreiben.
  • die grundlegenden Eigenschaften von Supraleitern zu benennen und ihre Bedeutung für mögliche Anwendungen darzulegen.
  • das Verhalten von Supraleitern in einem externen Magnetfeld zu beschreiben und den Unterschied zwischen Typ-I und Typ-II Supraleitern zu erklären
  • die thermodynamischen Eigenschaften von Supraleitern zu illustrieren.
  • die grundelgenden Ideen der phänomenologischen Theorien (London-Theorie, Ginzburg-Landaa-Theorie) zur Beschreibung der Supraleitung wiederzugeben und ihre Ergebnisse zur Beschreibung der unendlichen Leitfähigkeit, des Meißner-Effekts, der Fluxoid-Quantisierung und der charakteristischen Längenskalen von Supraleitern zu verwenden.
  • die Grundzüge der BCS-Theorie zu erklären.
  • das Phänomen der Flusslinienverankerung zu beschreiben und seine Relevenz für die kritischen Ströme von Typ-II Supraleitern zu erklären.
  • die grundlegenden Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter zu beschreiben.
  • relevante Anwendungen der Supraleitung zu benennen.

Voraussetzungen

Grundlegende Kenntnisse zur Physik der Kondensierten Materie und zur Quantenmechanik

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

Lern- und Lehrmethoden

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert (Tafelanschrieb, Beamer-Präsentation). Dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen um so ihr analytisch-physikalisches Denkvermögen zu fördern.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Medienformen

Vorlesungsskript, Übungsblätter, ergänzende Literatur, PowerPoint-Folien, Filme, etc.

Literatur

  • Vorlesungsskript und Vorlesungsfolien
  • R. Gross, A. Marx: Festkörperphysik
  • Tinkham: Introduction to Superconductivity
  • Fossheim, Sudbo: Superconductivity - Physics and Applications
  • Buckel, Kleiner: Supraleitung
  • de Gennes: Superconductivity of Metals and Alloys

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Welche grundlegenden Eigenschaften besitzen Supraleiter?
  • Welche Familien supraleitender Materialien kennen Sie, welche maximalen Sprungtemperaturen besitzen diese?
  • Beschreiben Sie den Unterschied zwischen einem perfekten Leiter und einem Supraleiter.
  • Wie lauten die beiden London-Gleichungen, wie können sie hergeleitet werden, welche Eigenschaften von Supraleitern beschreiben sie?
  • Erklären Sie die Fluss-Quantisierung in mehrfach-verbundenen Supraleitern. Wie wurde die Fluss-Quantisierung gemessen und was kann daraus gelernt werden?
  • Beschreiben Sie die thermodynamischen Eigenschaften von Supraleitern (Magnetisierung, Entropiedichte, spezifische Wärme) und skizzieren Sie ihr Phasendiagramm.
  • Diskutieren Sie den Unterschied zwischen Typ-I und Typ-II Supraleitern. Welche charakteristischen Magnetfelder zeigen diese Supraleiter?
  • Welche charakteristischen Längenskalen besitzt ein Supraleiter und welche Bedeutung haben diese?
  • Was versteht man unter dem Isotopen-Effekt bei Supraleitern, was kann man aus diesem Effekt lernen?
  • Wir kann eine attraktive Wechselwirkung zwischen zwei Leitungselektronen in einem Metall entstehen?
  • Welche möglichen Symmetrien gibt es für die Paarwellenfunktion?
  • Beschreiben Sie die Grundzüge der BCS-Theorie.
  • Was ist ein Josephson-Kontakt? Mit welchen grundlegenden Gleichungen kann er beschrieben werden?
  • Diskutieren Sie die kritische Stromdichte von Typ-I and Typ-II-Supraleitern?
  • Diskutieren Sie die charakteristischen Eigenschaften von Kuprat-Supraleitern.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Hinweise zu assoziierten Modulprüfungen

Die Prüfung zu diesem Modul kann auch gemeinsam mit der Prüfung zum assoziierten Folgemodul PH2032: Supraleitung und Tieftemperaturphysik 2 / Superconductivity and Low Temperature Physics 2 nach dem Folgesemester abgelegt werden. In diesem Fall müssen Sie sich für beide Prüfungstermine erst im Folgesemester anmelden.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten. Eine Wiederholungsmöglichkeit wird im Folgesemester angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Supraleitung und Tieftemperaturphysik 1
Mo, 4.2.2019 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin vor So, 24.03.2019. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date before Sun, 2019-03-24. bis 15.1.2019 (Abmeldung bis 3.2.2019)
Di, 26.3.2019 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin von Mo, 25.03.2019 bis Sa, 27.04.2019. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date from Mon, 25.03.2019 till Sat, 27.04.2019. bis 25.3.2019
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