Sicherheitsanweisungen für Tieftemperaturflüssigkeiten

Fachgruppe Hochspannungstechnologie
Physikstrasse 3, CH-8092 Zürich
Prof. Dr. Christian M. Franck
Telefon: +41-44-632-47-62
http://www.eeh.ee.ethz.ch/hvl/
Sicherheitsanweisungen für Tieftemperaturflüssigkeiten
Gefahren:
Direkten Kontakt mit dem flüssigen Stickstoff unbedingt vermeiden. Es können
Verletzungen entstehen, die an Brandwunden erinnern!
Niemals ungeschützte Hautpartien mit kalten Bauteilen in Berührung kommen
lassen. Die Haut kann am Gegenstand festfrieren!
→ Immer Schutzbrille und Handschuhe tragen
Verletzung:
Niemals Kleidung vom verletzen Körperteil entfernen
Kältebrandwunden niemals reiben oder massieren
Gelangt flüssiger Stickstoff auf die Haut oder in die Augen, ist der betroffene Bereich sofort mit viel Wasser zu spülen.
Auszug aus dem „Sicherheits- und Entsorgungshandbuch für die Studierenden und Lehrlinge
an der ETH Zürich“:
(http://www.immobilien.ethz.ch/sgu/services/health/arbeitssicherheit/dl_arbeitssicherheit_safety_manual)
7.2.8 Stickstoff
1. Chemische Charakterisierung
Formel: N2
Form: Gas, flüssig
Farbe, Geruch: farblos, geruchlos
2. Physikalische und sicherheitstechnische Angaben
Zustandsänderung: Schmelzpunkt: -210°C
Siedepunkt: -195,8°C
3. Gefährliche Reaktionen oder Zersetzungsprodukte
Bei offener Anwendung wird aus der umgebenden Luft durch Wärmeaustausch Sauerstoff
kondensiert, wodurch allmählich eine Anreicherung mit stark brandförderndem flüssigem Sauerstoff erfolgt. Dasselbe geschieht in der Flasche nach längerer Standzeit.
5. Schutzmassnahmen, Handhabung
- persönliche Schutzausrüstung:
Beim Umgang mit grösseren Mengen Atemschutz empfohlen. Handschuhe, Brille.
- Arbeitshygiene:
Stickstoff verhindert bei Anreicherung auf über 88 % die Atmung. Alle tiefkalten Flüssiggase
führen bei Hautkontakt zu Frostschäden mit „Brandwunden“. Hautkontakt vermeiden.
- Brand- und Explosionsschutz:
Bei offener Anwendung oder sonstiger Berührungsgefahr mit leicht entzündlichen Stoffen nur
frisch gewonnen Stickstoff verwenden. Vorsicht bei Verwendung von kleinen Gefässen (Expansion um Faktor 500 bis 1000 beim Verdampfen).
6. Massnahmen bei Unfällen oder Bränden
- bei Gasaustritt:
Hautkontakt vermeiden. Wenn möglich, Ventil schliessen. Sonst Flasche in Kapelle stellen,
Fenster öffnen. Raum verlassen (Stickgas), Türe schliessen. Verantwortliche/n und Abt. S+U
(Tel. 888) informieren.
- Erste Hilfe:
Bergung nur mit Atemschutz. Opfer sofort an die frische Luft bringen. Gegebenenfalls Atemspende, Arzt. Bei Hautkontakt betroffene Stelle unter kaltes Wasser halten. Behandeln wie Verbrennung. Siehe auch Kapitel 2.
Fachgruppe Hochspannungstechnologie
Physikstrasse 3, CH-8092 Zürich
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Telefon: +41-44-632-47-62
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Praktikumsanleitung
Fachpraktikum 5./6. Semester
Wir kennen heute vier Typen von Supraleitern: Die Fullerene, die metallischen, die organischen
und die keramischen Supraleiter. Bei den metallischen Supraleitern handelt es sich um Tieftemperatur-Hochstrom-Materialien (4.2 K, Jc > 104 A/mm2), wogegen die keramischen Supraleiter sog. Hochtemperatur- Materialien (> 77 K) sind. Im Praktikum werden mit einigen dieser
Hochtemperatur-Supraleiter Versuche im flüssigen Stickstoff bei 77 K durchgeführt. Dabei lassen sich interessante Effekte beobachten. Es wird gezeigt, wie sich die grundlegenden elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Supraleiters messtechnisch bestimmen lassen.
Versuch HS3:
Ort:
Labor ETL C11
Hochtemperatur - Supraleiter
Zeit:
13:30 – 17:00
ÜBERISCHT UND ZIEL DES VERSUCHS ................................................................................................................. 5
ANWEISUNGEN ................................................................................................................................................. 5
SUPRALEITER ..................................................................................................................................................... 6
KRYOEIGENSCHAFTEN VON METALLEN ............................................................................................................... 8
VERSUCH 1 KRYOEIGENSCHAFTEN VON METALLEN ............................................................................................................ 9
HOCHTEMPERATUR SUPRALEITER (HTSL) ........................................................................................................ 10
VERSUCH 2 VERSCHWINDEN DES ELEKTRISCHEN WIDERSTANDES -> KÜHLEN EINES HTSL BI-2223 TAPES............ 10
VERSUCH 3: VERSCHWINDEN DES ELEKTRISCHEN WIDERSTANDES -> KÜHLEN EINES SUPRALEITENDEN RINGES .... 11
MAGNETISCHE EIGENSCHAFTEN DER SUPRALEITER (SL) ..................................................................................... 11
VERSUCH 4 MEISSNER-EFFEKT .............................................................................................................................................12
ANWENDUNGEN SUPRALEITER ......................................................................................................................... 13
ANWENDUNG: PROJEKT AMPACITIY ................................................................................................................. 13
ANHANG 1: SPEZIFISCHER WIDERSTAND VON KUPFER MIT EINEM REINHEITSGRAD VON 99.999% ................... 16
ANHANG 2A: SPEZIFISCHE WÄRMEKAPAZITÄT VON KUPFER .............................................................................. 17
ANHANG 2B: ENTHALPIE VON KUPFER ............................................................................................................. 18
ANHANG 3: ENTHALPIE VON KRYOFLÜSSIGKEITEN ............................................................................................ 19
ANHANG 4: KRITISCHE STROMDICHTE VON HTSL IN ABHÄNGIGKEIT DES MAGNETFELDES ................................ 20
ANHANG 5: FLÜSSSIG-N2 DEWARGEFÄSS ........................................................................................................ 21
ANHANG 6: SUPRALEITENDE ELEMENTE ........................................................................................................... 22
LITERATUR....................................................................................................................................................... 23
MESSPROTOKOLL VERSUCH 1: KRYOEIGENSCHAFTEN METALLE ......................................................................... 24
MESSPROTOKOLL VERSUCH 2: VERSCHWINDEN DES ELEKTRISCHEN WIDERSTANDES -> KÜHLEN EINES HTSL BI2223 TAPES ........................................................................................................................................................................... 26
Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
MESSPROTOKOLL VERSUCH 3: VERSCHWINDEN DES ELEKTRISCHEN WIDERSTANDES -> KÜHLEN EINES
SUPRALEITENDEN RINGES .................................................................................................................................................... 29
MESSPROTOKOLL VERSUCH 4: MEISSNER-EFFEKT (VORSICHT MIT DEM FL.N2!!) ...................................................... 30
Wichtiger Hinweis
Bei Versuchen mit flüssigem Stickstoff ist das Tragen von Handschuhen und (Schutz-)
Brille, sowie das Studium der Sicherheitsanweisungen Pflicht.
Die Versuchsanleitung muss zwingend vorgängig gelesen und die Übungsaufgaben
bearbeitet werden!
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Überischt und Ziel des Versuchs
Zeit
Aktivität Gruppe 1
Zeit
Aktivität Gruppe 2
13.15 13.20
Eintreffen, einrichten
13.20-13.50
Sicherheitseinweisung, Unterschriften sammeln!!, 5min Lindeverfahren, Dewarbehälter erklären 5min , Theorie durchsprechen 5min, Versuche durchsprechen (wichtige Punkte zeigen) 7.5min, Stickstoff abfüllen zusammen jede Person!! 7.5 min
13.50-14.00
Durchsprechen der Resultate Aufgaben, A1 2min, A2 3 min. A3 5min
14.00 -14.30
Versuch 1
14.00 - 14.45
Versuch 3
14.30 – 15.15
Versuch 2
14.45 -15.00
Versuch 4
15.15 – 16.00
Versuch 3
15.00 – 15.30
Versuch 1
16.00 – 16.15
Versuch 4
15.30 – 16.15
Versuch 2
16.15 – 16.35
Besprechen Resultate Versuche, 10 min Versuch 4, Versuch 3 4min ,
Versuch 2 3 min , Versuch 1 3min
16.35 – 16.50
Aufräumen, Versuchsmaterialien trocknen
Anweisungen
- Zu Ihrer eigenen Sicherheit und Effizienz muss die Versuchsanleitung vorgängig gelesen und
die Übungsaufgaben bearbeitet werden.
- Während dem Versuch werden Messresultate aufgenommen, welche im Messprotokoll der
Versuche am Ende der Laboranleitung einzutragen sind.
- Bitte ca. 5 Minuten vor Versuchsbeginn eintreffen, damit der Versuch rechtzeitig starten kann.
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Supraleiter
Kühlt man bestimmte Metalle (Tabelle 1), Metallverbindungen (Tabelle 2) und keramische Stoffe (Tabelle 3) auf Kryotemperaturen 1 ab, so stellt man fest, dass ihr spezifischer Widerstand bis
auf sehr kleine, praktisch nicht messbare Werte absinkt. Materialien, die dieses Phänomen zeigen (Anhang 6: Supraleitende Elemente), nennt man Supraleiter (SL). Der Übergang vom normalleitenden zum supraleitenden Zustand findet nicht graduell, sondern nahezu sprunghaft in
einem engen Temperaturbereich ∆T statt. Bei metallischen SL ist, bei ∆T ≈ 10 −3 K. Metallverbindungen und keramischen SL gilt 1 K < ∆T < 5 K.
spez. Widerstand [mΩcm]
Abbildung 1 zeigt das Verhalten von ρ = f(T) für Bi2Sr1Ca2Cu2O7, welches ein HochtemperaturSupraleiter ist. Die Temperaturgrenze Tc, bei der noch Supraleitung existiert, wird als kritische
Temperatur des Supraleiters bezeichnet 2.
1,5
ρ300
1,2
ρΟΝ
0,9
B2> B1> B=0
0,6
0,3
ρ0
0
0
50
100
150
200
250
300
Temperatur [K]
Abbildung 1: Spezifischer Widerstand von Bi2Sr1Ca2Cu2O7 in Abhängigkeit der Temperatur mit
der Flussdichte des Fremdfeldes (senkrecht zur Probe) als Parameter
Wird der Supraleiter einem externen Magnetfeld ausgesetzt, so nimmt der Wert Tc ab (siehe
Abbildung 2). Bei einer bestimmten Temperatur behält das Material seinen supraleitenden Zustand bis zu einem Feldwert Bc, der als kritisches Feld bezeichnet wird. Auch hängt der supraleitende Zustand bei einer Temperatur T von der Stromdichte J ab. Bei bestimmten T und B Werten bleibt der SL bis zu einer Stromdichte Jc, die man als kritische Stromdichte bezeichnet, supraleitend. Die drei Grössen Tc, Bc und Jc sind spezifische Materialeigenschaften des SL. Oberhalb Bc, Jc und Tc existiert keine Supraleitung (siehe Abbildung 2).
Fachausdruck für sehr niedrige Temperaturen.
Wegen des bei Hochtemperatur-SL nicht sprunghaften Anstiegs des Widerstandes beim Übergang vom supraleitenden (SL) in den normalleitenden (NL) Zustand definiert man hier das sogenannte „1 µV/cm“-Kriterium. Die Grenze
zwischen SL und NL ist erreicht, wenn der Spannungsabfall entlang des Supraleiters 1 µV/cm erreicht.
1
2
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Jc [kA/cm2]
1000
0K
100
10
20 K
1
4,2 K
50
54 kA/cm2
30 K
100
Bc [T]
50
77,3 K
100
Tc [K]
Abbildung 2: Tc-Bc-Jc Diagramm für Ag-ummanteltes Bi2Sr1Ca2Cu2O7
Material
Tc [K] bei B=0 T
Bc [mT] bei T=0 K
Al
1,18
10,5
Hg
4,15
40
Nb
9,25
198
Pb
7,3
80
Sn
3,72
30,5
Ti
0,4
10
Tabelle 1: Tc und Bc Werte von metallischen Supraleitern ohne Strombelastung
Die Metalle von Tabelle 1 sind für energietechnische Anwendungen praktisch unbrauchbar, da
sowohl Tc als auch Bc sehr klein sind. Nur in der Mikroelektronik haben Nb und Pb für die Herstellung von Kavitäten (für Linearbeschleuniger) eine bestimmte Bedeutung erlangt.
Supraleiter aus Metalllegierungen sind hingegen für die technische Anwendung geeignet. Sie
besitzen zwar ebenfalls eine niedrige kritische Temperatur Tc, vermögen aber auch bei grossen
magnetischen Feldern hohe Stromdichten zu tragen. Diese Supraleiter heissen technische Niedertemperatur Supraleiter (NTSL). Tabelle 2 zeigt einige der wichtigsten technischen NTSL. Beachte die noch hohen Stromdichten bei magnetischen Feldern von 5 T und 10 T. Jc nimmt bei
gleich bleibender Temperatur mit zunehmendem B ab.
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Jc [kA / cm2] bei
T = 4,2 K und B = 5 T
Jc [kA / cm2] bei
T = 4,2 K und B = 10 T
Material
Tc [K]
Bc [T] bei
T=0K
NbTi
9,5
13
280
20
18,0
23
220
80
16,0
15
—
—
16,0
22
80
33
23,0
38
20
—
15,0
60
160
100
Nb3Sn
Nb3N
V3Ga
NbGe
PbMo6S8
Tabelle 2: Eigenschaften einiger technischer NTSL
Kupfer kann im Vergleich zu den technischen NTSL bis zu einer Stromdichte von 1’000 A/cm2
mit Wasserkühlung, bzw. ca. 2’000 A/cm2 mit Flüssig-Stickstoff-Kühlung betrieben werden.
Die technischen NTSL erfordern zur Kühlung und für den Betrieb flüssiges He, ihr Betrieb ist
daher teuer. Für den Spulenbau in der Hochenergiephysik konnten sie die Kupferspulen fast
vollständig verdrängen. Auch im Bereich der Hochfeldmagnete (B < 30 T) werden immer mehr
die technischen NTSL verwendet.
Wechselstromanwendungen von NTSL sind, von Ausnahmen abgesehen, wegen zu grossen
"Hystereseverlusten" uninteressant. Experimente mit den in Tabelle 2 zusammengefassten Metallverbindungen (NTSL) erfordern zur Kühlung und Betrieb fl.He. Die Versuche sind zwar nicht
kompliziert, aber zeitraubend. Daher werden in diesem Praktikum keine Experimente mit NTSL
durchgeführt.
Kryoeigenschaften von Metallen
Wird ein metallischer Leiter z.B. Kupfer von Raumtemperatur auf niedrige Temperaturen abgekühlt, dann nimmt sein spezifischer Widerstand monoton ab (siehe Anhang A1). Bei 77,6 K (d.h.
der Siedetemperatur von fl.N2) kann bei Reinkupfer eine Reduktion des spezifischen Widerstands von ρ300/ρ77,6 ≈ 7 festgestellt werden.
Der spezifische Widerstand und damit die ohmschen Verluste nehmen um einen Faktor 7 ab.
Kühlt man den metallischen Leiter auf flüssig Helium Temperatur ab (Tfl.He = 4,2 K), dann ist die
Widerstandsabnahme von 300 K auf 4,2 K etwa 1000. Um Gase zu verflüssigen benötigt man
eine Verflüssigungsanlage oder eine Kältemaschine, die nach dem Prinzip von Joule-Tompson
arbeitet. Diese haben einen relativ niedrigen Wirkungsgrad. Um die ohmsche Verlustleistung
PO (T ) bei einer Kryotemperatur T (z.B. fl.N2) abzuführen, ist die folgende Leistung Pk nötig:
Gleichung 1:
 300 K− T 100 
Pk (T ) = PO (T ) ⋅ 
⋅
 .
T
%Ca 

Dabei ist %Ca der prozentuale Anteil des Carnot-Wirkungsgrades einer kommerziellen Kältemaschine. Bei Maschinen mittlerer Leistung (etwa um 100 kW) beträgt %Ca ca. 20 %. Bei kleinen Maschinen (etwa um 1 kW) ist %Ca ca. 10%. Wir berechnen bei zwei Temperaturen den
Leistungsaufwand bei Raumtemperatur:
• fl.He Temperatur (T = 4,2 K)
• fl.H2 Temperatur ( T = 21 K)
Pk (T ) = 352 ⋅ PO (4.2 K ) ,
Pk (T ) = 66 ⋅ PO (21K ) .
Man muss von Fall zu Fall abklären, ob es sinnvoll ist eine Maschine oder ein ÜbertragungsKabel im abgekühlten Zustand zu betreiben.
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Versuch 1 Kryoeigenschaften von Metallen
Der ohmsche Widerstand einer Kupferspule (siehe Abbildung 3) soll bei Raumtemperatur TR
und bei der Temperatur von fl.N2 T fl .N 2 gemessen werden. Damit ist das Verhältnis der Verlustleistungen bei TR und T fl .N 2 bestimmt.
Abbildung 3: Massskizze der Kupferspule
Aufgaben zum Versuch vorbereiten:
V1.
Vergleichen Sie die Leistungen für einen Betrieb bei 300 K und 77 K , unter Berücksichtigung von Gleichung 1. Vernachlässigen Sie Isolationsverluste beim kalten Betrieb.
Lohnt sich energetisch der Kühlungsaufwand?
V2.
Wie viel fl.N2 wird benötigt, um die Spule von 300 K auf 77 K zu kühlen (Wärmeverluste vernachlässigt). Verwende dazu Anhang 2a, 2b und Anhang 3 und 4. Annahme: Die
ganze Spule ist aus Kupfer.
Aufgaben während des Versuchs:
1.
Mit den gemessenen Werten von U (T ) bei konstant gehaltenem Strom bestimmen Sie
das Widerstandsverhältnis RT R300 K und daraus ρ T ρ 300 K und verifizieren Sie somit die
Aussage in der Theorie.
2.
Messen Sie mit der Hallprobe (Gaussmeter) die Werte der magnetischen Induktion B in
verschiedenen Punkten (siehe Abbildung 3) und vergleichen Sie anschliessend die Werte
mit berechneten.
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Hochtemperatur Supraleiter (HTSL)
1986 wurden die HTSL am IBM- Forschungszentrum in Rüschlikon entdeckt. Diese Kuperate
oder keramische Supraleiter zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch bei Temperaturen von
fl.N2 betrieben werden können. Charakteristische Eigenschaften einiger bekannter Kuperate
sind Tabelle 3 zusammengefasst.
Technische Anwendungen solcher HTSL sind Übertragungskabel, Transformatoren, Kurzschluss-Strombegrenzer.
Flüssiger Stickstoff ist gegenüber fl.He billig, seine Handhabung einfach. Die Verdampfungstemperatur des fl.N2 ist hoch.
Material
Tc [K] bei
B=0T
Bc [T] bei
T = 77 K
Jc [A/cm2] bei
T = 77 K, B = 0,5 T
Jc [A/cm2] bei
T = 21 K, B = 5 T
YBa2Cu3O7
92
1
700
60’000
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
110
1
600
60’000
Bi2Sr2CaCu2O8
95
1
600
60’000
Ti2Ba2Ca2Cu3O10
125
—
—
—
HgBa2Ca2Cu3O6
133
—
—
—
Tabelle 3: Charakteristische Eigenschaften einiger HTSL
Trotz der günstigen Eigenschaft, dass die HTSL bei fl.N2 betrieben werden können, was ihre
technische Anwendbarkeit wesentlich vereinfacht, ist es bis heute noch nicht möglich ihre kritische Stromdichte (Jc) und das kritische Feld (Bc) bei 77 K zu erhöhen. Das niedrige Bc und die
niedrige Stromdichte hat dazu geführt, dass immer noch Kupfer (J=2'000 A/cm2 bei fl.N2) bevorzugt wird. Bei Temperaturen von fl.H2 (21 K; letzte Spalte in Tabelle 3) sind die kritischen
Stromdichten von HTSL sehr hoch und diese Tatsache könnte zu neuen Anwendungen führen
(z.B. Schwebebahnen, HTSL-Kabel).
Die keramischen SL sind spröde und lassen sich nicht einfach zu Drähten grosser Länge ziehen
und verarbeiten. Sie brechen leicht, wenn sie gebogen oder unsachgemäss behandelt werden.
Mit einiger Mühe ist es gelungen, Drähte bis zu Längen von einigen 100m zu ziehen. Für die
Herstellung von Drähten wird das pulverförmige Ausgangsmaterial (z.B. Bi2Sr2CaCu2O8) in AgMg-Röhrchen eingefüllt und gezogen. In anderen Anwendungen wird der SL nach der CVD
(chemical vapour deposition) Methode auf Ag-Mg-Bänder aufgebracht. Mit den Drähten werden zuerst Spulen gewickelt. Anschliessend wird die fertig gewickelte Spule bei 800–1000 K in
einer Schutzgas-Atmosphäre reagiert.
Zur Demonstration der Eigenschaften der SL eignen sich die HTSL sehr gut, da der Betrieb mit
fl.N2 sehr einfach ist. HTSL zeigen alle typischen Eigenschaften der Supraleiter, das Verschwinden des elektrischen Widerstands, die Beobachtung des ideal diamagnetischen Verhaltens oder
das Auftreten quantisierter magnetischer Flussschläuche.
Die in Tabelle 3 markierten SL werden in den folgenden Versuchen verwendet.
Versuch 2 verschwinden des elektrischen Widerstandes -> kühlen eines HTSL Bi-2223
Tapes
Kühlen Sie ein Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Band auf fl.N2 Temperatur. Messen Sie den Widerstand und beobachten Sie dessen Zusammenfallen beim Abkühlen.
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Messen Sie die E(J)-Kennlinie bei 77K. Wiederhohlen Sie die Messung mit einem zusätzlichen
Magneten über dem SL. Machen Sie die Messung bei verschiedenen Abständen des Magnets.
Machen Sie sich Gedanken zur Messgenauigkeit.
Zusatzinfos: Bi2Sr2Ca2Cu3O10 ist ein supraleitendes Oxid und gehört zur Materialklasse der Kuperate, diese gehören zu den SL mit den höchsten bekannten Übergangstemperaturen. Diese
Verbindung wird manchmal nach der Stöchiometrie der Elemente als Bi-2223 bezeichnet.
Versuch 3: verschwinden des elektrischen Widerstandes -> kühlen eines
supraleitenden Ringes
Kühlen Sie einen supraleitenden Ring auf fl.N2 Temperatur. Induzieren Sie mit Hilfe eines Permanentmagneten einen Strom in den Ring. Messen Sie das B-Feld des Ringes und schliessen Sie
dadurch zurück auf den induzierten Strom. Leiten Sie daraus eine obere Grenze für den Widerstand des Supraleiters ab. Was definiert die Genauigkeit der Messung und somit diese obere
Grenze?
Aufgaben zum Versuch vorbereiten:
V3.
In diesem Versuch soll ein Widerstandswert für den supraleitenden Ring berechnet
werden. Der Strom im supraleitenden Ring nimmt exponentiell ab (Formel in Messprotokoll
Versuch 3). Überlegen Sie sich wie Sie mit der gegebenen Formel auf R kommen. Möglicherweise ist eine Skizze hilfreich. Vergleichen Sie die Grössen der Grafik mit der Formel. Müssen
zusätzliche Variablen / Grössen eingefügt werden?! Lösen Sie die angepasste Formel nach R
auf. Berechnen Sie L (Formel in Messprotokoll Versuch 3).
Magnetische Eigenschaften der Supraleiter (SL)
Wird ein Supraleiter in ein externes Magnetfeld gebracht, so wird das Feld aus dem Volumen
des Supraleiters verdrängt, das heisst, SL verhalten sich wie Diamagnete. Der Supraleiter entwickelt in einer dünnen Schicht (ca. 500 Å) an der Oberfläche Abschirmströme, die das Eindringen
des Magnetfeldes in den SL-Körper verhindern.
Befindet sich ein supraleitender Körper bei T > Tc in einem externen Magnetfeld, so verhält
sich der Körper wie ein Paramagnet und das Magnetfeld durchdringt ihn. Kühlt man den Körper auf T < Tc ab, so wird das Magnetfeld aus dem SL wiederum verdrängt. Abbildung 4 veranschaulicht dieses Phänomen. Der experimentelle Nachweis der Feldverdrängung wurde erstmals von Meissner (1928) erbracht.
Bextern = 0
T > TC
SL
Bextern = 0
T < TC
Bextern > 0
T > TC
SL
BC > Bextern > 0
T < TC
Abbildung 4: Meissner Effekt
Der Meissner-Effekt kann mittels HTSL Proben eindrücklich und einfach nachvollzogen werden.
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Versuch 4 Meissner-Effekt
Legen Sie eine Tablette aus YBa2Cu3O7 oder eine solche aus Bi2Sr2CaCu2O8 auf den Permanentmagneten, nachdem diese Tablette auf T < Tc abgekühlt wurde (Abbildung 5). Der Magnet
kann sich im warmen oder kalten Zustand befinden. Solange die Temperatur der Tablette
T < Tc ist, wird sie über dem Magneten schweben.
T < TC
SL-Tablette
Permanentmagnet
Abbildung 5: HTSL-Probe schwebt über einem Permanentmagnet
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Anwendungen Supraleiter
Die Anwendungen von Supraleiter sind vielseitig. Die detaillierte Betrachtung sprengt den Umfang des Praktikums, weshalb wir an dieser Stelle nur eine Übersicht abgeben und ein Beispiel
einer supraleitenden Übertragungsleitung das AmpacCity Projekt vorstellen. Die Übersicht ist
angelehnt an das Kapitel 7 aus W. Buckels Supraleitung, Grundlagen und Anwendungen, in
dem Interessierte gerne die Details nachlesen können.
-
-
Supraleitende Magnetspulen
o Kernspinresonanz (NMR)
o Kernspintomographie (MRI)
o Teilchenbeschleuniger (Bsp. LHC CERN)
o Kernfusion (Bsp. ITER)
o Motoren, Generatoren und Transformatoren
o Magnetschwebebahn (Maglev)
Supraleitende Kabel und Bänder
Supraleitende Resonatoren und Filter
Supraleiter als Detektoren (SQUID)
Supraleiter in der Mikroelektronik
Anwendung: Projekt AmpaCitiy
In den letzten Jahren sind die Produktionsverfahren von Hochtemperatur Supraleitern so weit
fortgeschritten, dass es technisch möglich ist Supraleiter in industriellem Massstab zu fertigen.
Vorzeigeprojekte sollen die Vorteile von HTS-Übertragungsleitungen und die Durchführbarkeit
aufzeigen. Das Vorzeigeprojekt in Europa heisst AmpaCity [9]. In der Innenstadt von Essen
werden durch ein Mittelspannungs-HTS-Kabel zwei Umspannwerke verbunden. Die In
Geplante Ausführung und Schema
Abbildung 6 Geplante Strecke der HTS-Übertragungsleitung im Zentrum von Essen ( Nennspannung 10 kV)
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Das dreiphasig konzentrisch aufgebaute supraleitende Mittelspanungskabel soll ein ca. 1km
langes 110 kV Hochspannungskabel ersetzen. Dabei wird erstmals ein Supraleiterkabel mit einem supraleitenden Strombegrenzer (HTS-FCL) kombiniert. Dieser soll das Kabel im Kurzschlussfall vor zu hohen Strömen schützen. Im untenstehenden Bild soll die Situation schematisch dargestellt werden.
Abbildung 7 Schema Installation des HTS-Kabels
Kenndaten HTS-Kabel:
Übertragungsleistung: 40 MVA
Nennspannung: 10 kV AC (3-Phasensystem)
Nennstrom: 2.3 kA
Länge: ca. 1 km
Kabelaufbau und Endverschluss
Abbildung 8 zeigt die Struktur eines Supraleitenden Kabels mit konzentrischem Design. Ein
rostfrei gerilltes Rohr führt den flüssigen Stickstoff (Inlet) und dient zugleich als Kabelführung.
(Former). Die drei verschiedenen Phasenleiter sind auf der Kabelführung verseilt und durch isolierende Schichten getrennt. Der Neutralleiter ist die äusserste Leiterschicht (Screen). Zwischen
dem Neutralleiter und dem inneren gerillten Rohr des Kabel Kryostat (Cryostat) fliesst der flüssige Stickstoff zurück. Der Kabel Kryostat bestehend aus zwei gerillten, konzentrisch Angeordneten Rohren bildet die äussere Oberfläche. Um sich die Grösse des 10kV 2.3 kA Kabels zu verdeutlichen: Der Durchmesser des Neutralleiters ist zwischen 55-65 mm; Die äussere Röhre des
Kryostaten hat einen Durchmesser von 120-130 mm.
Um die supraleitenden Leiter zu bilden haben sich 4mm breite und extrem flache „Strips“ aus
erster Generation BSCCO und zweite Generation YBCO Supraleiter bewährt. Die Leiter zweiter
Generation versprechen dabei ein attraktives Preis-Leistungsverhältnis.
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
LN2
L N2
Inlet
Former
Return
Dielectric
Phase 1
Cryostat
Phase 2
Screen
Phase 3
Abbildung 8 Konzentrisch designtes HTS-Kabel
Phase 1
Phase 2
Phase 3
Screen
Cooling System
Inlet / Return
Cryostat
Abbildung 9 Abschluss HTS-Kabel
Der Kabelendverschluss bildet den Übergang vom Supraleiter zum normalen Hochspannungsnetz. Der Kabelendverschluss hat Anschlüsse für die drei Phasen und den Neutralleiter. Beim
Kabelendverschluss befindet sich der Inlet und Return des flüssigen Stickstoffs der für den
Kühlkreislauf benötigt wird.
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Anhang 1: Spezifischer Widerstand von Kupfer mit einem Reinheitsgrad
von 99.999% [10]
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
200
Temperatur, K
10
0.001
0.002
0.004
0.01
0.02
0.04
0.1
0.2
0.4
20
30
40
60
80
100
(10 - 300 K)
Spezifische Wärmekap.
von Kupfer
300
Anhang 2a: Spezifische Wärmekapazität von Kupfer
Cp[J/(gK)]
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Anhang 2b: Enthalpie von Kupfer
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Temperatur [K]
1
10
2
3
4
5
6
8
102
2
3
4
6
5
8
103
2
3
4
5 6
He
8
101
2
3
H2
Ne
4 5 6
8
102
N2
2
3
4
5 6
8 103
Anhang 3: Enthalpie von Kryoflüssigkeiten
Verdampfungswärme [kJ/kg]
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Anhang 4:
Kritische Stromdichte von HTSL in Abhängigkeit des Magnetfeldes
B
Jc
Magnetische Induktion (s..senkrecht,p..parallel,c..kritisch)
Kritische Transportstromdichte im Supraleiter
PIT Pulver-im-Rohr-Verfahren
g
gesintert
106
4*105
2*105
Bs
4.2 K
105
Bs
21 K
(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox
(PIT)
3*104
104
Jc
[A/cm2]
Bp
Cu
77 K
103
77 K
Bs
77 K
102
(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox
(g)
Bs
77 K
101
100
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
102
Bc [T]
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Anhang 5: Flüsssig-N2 Dewargefäss
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Anhang 6: Supraleitende Elemente
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Literatur
Lit. 1
W. Buckel, R. Kleiner
Supraleitung. Grundlagen und Anwendungen, Aufl. 6
Wiley-VCH, 2004
ISBN: 3527403485
Lit. 2
S. Foner, B. B. Schwartz
Superconducting Machines and Devices
N.Y. Plenum Press 19742.Auflage 1985
Lit. 3
M. Schubert
Untersuchungen über den Einsatz von Hochtemperatur Supraleitern zur Kurzschluss
Strombegrenzung
VDI-Reihe 218 (1996)
Lit. 4
R. Wesche
High Temperature Superconductors
Kluwer Academic Publishers 1998
ISBN 07923-8336-9
Lit. 5
ABB
Hochtemperatur Supraleitung in der Schweiz
NFP 30, (1992)
Lit. 6
Frederick W. Grover
Inductance Calculations: Working Formulas and Tables
Dover Publications, Inc., New York 1946
Lit. 7
The Open University
http://openlearn.open.ac.uk/
Stand März 2012
Lit. 8
Harald Ibach & Hans Lüth
Festkörperphysik – Einführung in die Grundlagen
Springer (2008)
Lit. 9
Unterlagen von Nexan (2012)
Projekt AmpaCity
Lit 10
Die von M. Stemmle (Nexans) und J. Bock (Nexans) zur Verfügnung gestellten Paper,
Poster, Präsentation und darin enthaltenen Bilder durften für schulische Zwecke weiterverwendet werden.
JAHM Software
MPDB v7.49 - demo
http://www.jahm.com (2012)
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Messprotokoll Versuch 1: Kryoeigenschaften Metalle
Vorgehen:
-
-
-
Zeichnen Sie das Schema der Anordnung. Komponenten: Spannungsquelle, Voltmeter,
Amperemeter, Spule
Verdrahten Sie den Aufbau (Bananenstecker auf Stromquelle und Messgeräte stecken)
Lassen Sie den Versuch vor dem Einschalten kontrollieren
Stellen Sie die Strombegrenzung der Spannungsquelle auf 190mA (Knopf: CC Set)
Machen Sie die Messungen bei Raumtemperatur
o Spannungs- und Strommessung
o B-Feldmessung installieren Sie die axiale Feldsonde am Teslameter MagnetPhysik FH54 (Sonde dünnes, flaches schwarzes Ende). Vorsicht die Sonden gehen
durch zu starke mechanische Belastung kaputt!
TIPP: für die B-Feldmessung: Punkt B in Abbildung 3: Massskizze der Kupferspule wird
als Nullpunkt der Distanzmessung definiert!! Auf dem Ständer in dem Sie die axiale
Sonde einspannen befindet sich eine Skala überlegen Sie sich wie Sie diese einsetzen
um die Messwerte zu bekommen. (Abstand Skala 0.5 cm)
Stellen Sie den Lüfter so, dass der Dampf des flüssigen Stickstoffs vom Messgerät weg
geblasen wird. Dieser Punkt ist WICHTIG!
Kühlen Sie die Spule ab.
Machen Sie die Spannungs- und Strommessungen bei 77K. Währen dem Abkühlen tragen Sie die Resultate ins Matlabfile ein. Falls das Abkühlen noch länger dauern sollte,
machen Sie sich mit Ihrem nächsten Versuch vertraut.
Entsprechen die Resultate Ihren Erwartungen?
Nach dem Versuch Spannung = 0V einstellen!!
Liste verwendeter Geräte:
Gerätename:
Funktion:
Schema / Notizen: (Amperemeter nicht falsch anschliessen!!)
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Versuch HS3:
@ Raumtemperatur
U = ………..
Hochtemperatur - Supraleiter
I = ………..
 R = ………..
B-Feldmessung: (Wie werden die Messwerte eingetragen?)
Distanz
[cm]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
B-Feld
Distanz
[cm]
4.5
Punkt B in Abbildung 3: Massskizze der Kupferspule wird als Nullpunkt der Distanzmessung
definiert!!
Die Messwerte können auch direkt im Versuchs-PC eingegeben werden. Speichern Sie das File:
BzSpule_myname.m mit Ihrem Namen erweitert ab.
Die im Matlab verwendete Formel berechnet die magnetische Flussdichteverteilung einer
mehrlagigen Spule entlang der Rotationsachse.
𝐿 2
𝐿 2
𝑟𝑎 + �𝑟𝑎2 + �𝑧 + 2�
𝑟𝑎 + �𝑟𝑎2 + �𝑧 − 2�
𝑁∙𝐼∙𝜇
𝐿
𝐿
⎞ − (𝑧 − ) ∙ ln ⎛
⎞)
𝐵(𝑧) =
∙ ((𝑧 + ) ∙ ln ⎛
2
2
2 ∙ (𝑟𝑖 − 𝑟𝑎 )
2
2
𝐿
𝐿
� 2
� 2
⎝ 𝑟𝑖 + 𝑟𝑖 + �𝑧 + 2� ⎠
⎝ 𝑟𝑖 + 𝑟𝑖 + �𝑧 − 2� ⎠
z = auf der Rotationsachse der Spule. Nullpunkt in der Mitte der Spule (z=0)
B(z) = magnetische Flussdichte entlang der z-Achse
ri= Innenradius Spule
ra = Aussenradius Spule
L = Länge der Spule
@ 77K
U = ………..
 R = ………..
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I = ………..
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Messprotokoll Versuch 2: verschwinden des elektrischen Widerstandes -> kühlen eines
HTSL Bi-2223 Tapes
Vorgehen:
-
-
Zeichnen Sie das Schema der Anordnung. Komponenten: Hochstromquelle; Supraleiterbox; Nanovoltmeter;
Überlegen Sie sich was Sie messen wollen!
Verdrahten Sie den Aufbau
Positionieren Sie vorgängig den Magneten, beachten Sie die Skala. Lassen Sie den Versuch vor dem Einschalten kontrollieren
Machen Sie Messungen bei Raumtemperatur legen Sie 1 und 2A an messen Sie die
Spannung. Im nicht Supraleitenden Zustand nie mehr als 2A anlegen der Supraleiter
wird sonst zerstört!! -> Bevor Sie den Ausgang einschalten, kontrollieren Sie die Anzeige -> 2A !!
Stellen Sie den Lüfter so, dass die Anschlüsse des Nanovoltmeter im Luftstrom sind.
Bereiten Sie den Magneten vor (wählen Sie 2 Distanzen im Bereich von 0-45mm).
Messen Sie die Länge des HTS-Streifens. (Grobe Messung reicht)
Kühlen Sie den HTS-Streifen auf 77K (Lassen Sie 2A anliegen ab einem gewissen Zeitpunkt springt die Spannung auf einen neuen Wert!)
Stellen Sie die Spannungsskala vor jeder Messserie auf Null, und beeilen Sie sich bei den
Messungen ansonsten werden die Resultate verfälscht.
Machen Sie Spannungsmessungen bei 77K:
o
o
Bestimmen Sie zuerst Ic nach dem 1μV/cm Kriterium
Wie gross ist der Strom bevor sich die Spannungsanzeige merklich verändert?
erhöhen Sie den Strom Schrittweise bis eine Spannung von max. 300µV durch
das Nanovoltmeter gemessen wird. Zuerst in 10 A Schritten und kurz vor Erreichen des Ic jeweils um 1A erhöhen.
Platzieren Sie den Magneten über dem Supraleiter und wiederholen Sie den vorherigen
Schritt bei zwei weiteren verschiedenen Magnetpositionen die Sie selber bestimmen
können. Messen Sie in dieser Distanz das B-Feld und bestimmen Sie Ic.
Tragen Sie ihre Messwerte ins Matlab File E_J_HTS_myname ein. Die Werte können vorerst auch in die folgende Tabelle eingetragen werden (Messwerte können während Versuch 3 in File eingetragen werden). Vergessen Sie den nächsten Punkt nicht!
Berechnen Sie den Widerstand für einige I<IC Messwerte und definieren Sie eine obere
Grenze des Widerstands gegeben durch die Messgenauigkeit. Was sind die Erkenntnisse aus diesem Versuch?
Nach dem Versuch Strom I = 0A einstellen!!
o
-
Liste Verwendeter Geräte:
Gerätename:
Funktion:
Schema / Notizen:
Abstand Magnet [mm]
B-Feld [mT]
Ic [A]
Inf. -> kein Magnet
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Länge Supraleiter: L= ….
Berechnung Widerstandswerte / Definieren einer oberen Grenze:
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Messprotokoll HTS Bi-2223 Tapes
Ohne Magnet
Magnet Abstand 1
Spannung
Spannung
Strom [A]
[µV]
Strom [A]
[µV]
Ausgabe HS2014
Magnet Abstand 2
Spannung
Strom [A]
[µV]
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Messprotokoll Versuch 3: verschwinden des elektrischen Widerstandes -> kühlen eines
supraleitenden Ringes
Vorgehen:
-
-
Überlegen Sie sich wie und was Sie messen wollen!
Oszilloskop mit Koaxialkabel an Magnet-Physik FH54 hängen. Verwenden Sie die transversale Feldsonde (Sonde mit grauem Schutz). Sonde und Gerät müssen mindestens 5
Minuten warm laufen. Schauen Sie das die Anzeige Null anzeigt ansonsten machen Sie
einen Nullabgleich (melden Sie sich!).
Die transversale Sonde wird von unten her zwischen Deckel auf dem die Kiste steht und
Kistenboden platziert
Stellen Sie das Oszilloskop ein. Am besten noch ohne flüssigen Stickstoff. Einstellungen:
Single Shot, Triggern auf fallende Flanke, Kopplung DC 1MΩ. Achtung: In der Halterung
könnte sich Eis und Wasser angesammelt haben, das beim zu schnellen Einsetzen des
Stöpsels, rausspritzt.
o Finden Sie zuerst die Nulllinie
o Setzen Sie das Triggerlevel
o Optimieren der y-Skala: geben Sie den Ring in die Kiste, setzen Sie den Magnetstempel und Gegenstück in den Ring und richten Sie die Sonde so aus, dass
möglichst der maximale Flussdichtewert angezeigt wird -> füllen Sie fl.N2 in den
Behälter und benutzen Sie den Ring.. Versuchen Sie die y-Skala möglichst gut
auszunutzen. (Benutzen Sie den ersten Ring , Teflonstempel Magnetstempel )
o Wechseln Sie den Ring und optimieren Sie die Zeitachse. (Position Ring und Ausrichtung Sonde beachten)
o Schliessen Sie den Lüfter an und positionieren Sie ihn so, dass er in den Schlitz
bläst, so dass sich die Sonde im Luftzug befindet.
o Starten Sie die Messung (Messzeit ca. 15 Minuten) machen Sie sich in der Zwischenzeit weitere Gedanken wie Sie die Messwerte nutzen und welche Messwerte Sie für die weitere Berechnung brauchen? Wie kommen Sie auf den
Grenzwert des Widerstands? Falls alles gemacht und klar ist, bearbeiten Sie den
nächsten Versuch und warten dabei aufs Resultat.
Notizen:
Zeitverlauf des Stromes nach:
𝑅
𝐼(𝑡) = 𝐼0 ∙ 𝑒 − 𝐿 𝑡
Annahmen zur Berechnung der Induktivität des Rings: Der Ring besteht aus einer Schleife supraleitenden Drahtes Radius des Drahtes rD=1mm. Der Schleifenradius rS=22mm. Zur Berechnung
der Induktivität dieser Anordnung gibt es keine geschlossene Formel wir verwenden deswegen
[Lit.6 S.143 ff]:
8𝑟𝑆
𝐿 = 𝜇0 ∙ 𝑟𝑆 ∙ �𝑙𝑛 � � − 1.75�
𝑟𝐷
Notizen:
Ausgabe HS2014
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Messprotokoll Versuch 4: Meissner-Effekt (Vorsicht mit dem fl.N2!!)
Achtung: Dies ist der wohl gefährlichste Versuch weil das fl.N2 immer wieder in den Versuchsbehälter nachgefüllt werden muss. Behandeln Sie das fl.N2 mit dem nötigen Respekt und
schauen Sie darauf die Kanne mit fl.N2 nicht umzustossen!
Vorgehen:
-
-
-
Nehmen Sie das Superconductivity Demonstration Kit. Sie sehen eine kleine Supraleitertablette YBa2Cu3O7 und einen kleinen Permanentmagneten in der Schutzhülle. !! Gehen
Sie sehr Vorsichtig mit dem Material um, verlieren Sie den kleinen Magneten nicht!! Im
gleichen Packet befindet sich ein grosser Magnet, lassen Sie Ihn nicht fallen oder an ein
anderes Magnet oder Metallstück prallen. Diese Magnete zerbrechen sehr leicht!! Für
das Gelingen des Versuchs ist wichtig, dass der kleine Magnet nicht von anderen Magneten beeinflusst wird!
Setzen Sie die Supraleitertablette in das Kunststoffgefäss und legen Sie den kleinen
Magneten auf die Tablette. Geben Sie fl.N2 hinzu. Warten und schauen.
Lassen Sie die Supraleitertablette aufwärmen -> Diamagnetismus verschwindet
Nehmen Sie Supraleitertablette und Magnet aus dem Kunststoffgefäss und kühlen Sie
die Tablette danach erneut. Legen Sie den kleinen Magneten nach Erreichen des Supraleitenden Zustandes wieder darauf.
Sie dürfen den gleichen Versuch mit dem grossen Permanentmagnet wiederholen, der
Schwebeffekt ist hier aber nicht mehr so deutlich zu sehen, messen Sie jeweils das BFeld mit dem Magnet-Physik FH54. Achtung Sonde darf nicht zu stark abkühlen -> nur
kurz messen und nicht in fl.N2 halten.
Wiederholen Sie den Versuch so lange bis Sie die folgende Erklärung verstanden haben!
Überlegung: Vergleich Supraleiter vs. idealer Leiter 3
3
Bild [Lit. 7] / Erklärung [Lit. 8]
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
Erklärung:
Magnetisches Verhalten eines idealen Leiters (a), (b) und eines Supraleiters (c), (d). Der ideale
Diamagnetismus 4 von Supraleitern entdeckt von Meissner war sehr überraschend, da man für
ideale Leiter aufgrund des Induktionsgesetzes lediglich erwartet hätte, dass sie ein in ihrem Innern befindliches Feld beibehalten, aber nicht verdrängen.
Induktionsgesetz:
𝑖 ∙ 𝑅 = 𝑈𝑖𝑛𝑑 = −
𝑑Φ
𝑑
�⃗𝑑𝐴⃗
=− �𝐵
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝐴
Verschwindender Widerstand bedeutet, dass der magnetische Fluss (Φ=B*A)in der betrachteten Fläche sich nicht ändern darf. Dass also das Magnetfeld im Inneren des Materials sowohl
beim Abkühlen also auch beim Abschalten des äusseren Feldes Bapp bestehen bleibt. Beim Abschalten von Bapp im gekühlten Zustand geschieht dies deshalb, weil durch den Abschaltvorgang im Inneren des Material Dauerströme induziert werden, die das Magnetfeld im Inneren
aufrechterhalten (Bild Teil (b)). Würde ein solcher Leiter im feldfreien Raum (Bapp=0) unter TC
abgekühlt und dann das äussere Feld Bapp angeschaltet, so müsste wegen R=0 das Innere des
Materials feldfrei bleiben – wiederum durch die Wirkung von abschirmenden, induzierten Dau-
Diamagnetismus ist eine der Ausprägungsformen des Magnetismus in Materie: Diamagnete magnetisieren sich in
einem externen Magnetfeld so, dass sich das Magnetfeld in ihrem Innern proportional zur Stärke des angelegten
Magnetfelds abschwächt und diamagnetische Materialien dementsprechend die Tendenz haben, aus einem inhomogenen Magnetfeld herauszuwandern. Quelle: Wikipedia
4
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Versuch HS3:
Hochtemperatur - Supraleiter
erströmen. Nach Abschalten von Bapp im gekühlten zustand bleibt das Innere des Materials nun
feldfrei (Bild Teil (a)). Ein idealer Leiter könnte in diesem Sinne also für Bapp=0 und T<TC zwei
verschiedene Zustände, mit und ohne Feld im Inneren einnehmen, je nachdem wie der Weg
war, auf dem dieser Zustand erreicht wurde.
Tatsächlich gilt für den Supraleiter nicht nur 𝐵̇ = 0 sondern auch B=0 unabhängig vom Weg,
auf dem der Zustand erreicht wurde. Ein Supraleiter verhält sich, wie in Bild Teil (c)und (d) gezeigt ist. Dieser Effekt, der eine vom verschwindenden Widerstand (R=0) unabhängige Eigenschaft des Supraleiters darstellt, heisst wie schon erwähnt Meissner-Ochsenfeld-Effekt.
Der magnetische Zustand eines Supraleiters kann wegen des Meissner-Ochsenfeld-Effekts als
idealer Diamagnetismus beschrieben werden, bei dem permanente Oberflächenströme im Inneren eine Magnetisierung M=-Happ aufrechterhalten, die dem aussen anliegenden Magnetfeld
Happ genau entgegengesetzt ist. Wenn an einem Supraleiter bei einer Temperatur T<TC ein
äusseres Magnetfeld angeschaltet wird, so wird ein gewisser Energieanteil verbraucht, um diese Suprastrome zu induzieren, die das Innere der Probe magnetisch feldfrei halten.
Interessierte Studenten:
-
Wiederholen Sie den Versuch mit der grossen Supraleitertablette und dem grossen
Magneten. Was stellen Sie fest? Messen Sie das B-Feld auf der Oberfläche des Supraleiters.
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