Supraleitung

Versuch Nr. 31
Supraleitung
1. Einleitung
Supraleitung zeichnet sich durch einen Phasenübergang des Elektronensystems aus,
welcher sich bei Unterschreiten einer kritischen Temperatur in einer Vielzahl von
physikalischen Größen (elektrische, magnetische, elektromagnetische, thermische)
durch zum Teil sehr starke Änderungen bemerkbar macht. Für diesen Versuch von
Bedeutung sind in diesem Zusammenhang die elektrischen Eigenschaften
(verschwindender Gleichstromwiderstand) und die magnetischen Eigenschaften
(idealer Diamagnetismus). Diese sollen anhand typischer Untersuchungsmethoden an
Hochtemperatursupraleitern diskutiert werden.
2. Literatur
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Literaturmappe:
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H. Ullmeier: Grundlagen der Supraleitung, aus: Festkörperforschung
für die Informationstechnik, Forschungszentrum Jülich 1990 (21 Seiten)
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Zulassungsarbeit von Claudia Süß (1989); auszugsweise
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E. H. Brandt: Rigid levitation and suspension of high-temperature
superconductors by magnets, Am. J. Phys. (58) 1990 (43-49)
*
Diplomarbeit von H. Werthner (1991); Auszug (4 Seiten)
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G. Koppelmann, J. Linders: Supraleitung und HochtemperaturSupraleiter, PhuD 2, 1989 (136-149)
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Dissertation von W. Gerhäuser (1992); Auszug (5 Seiten)
W. Buckel: Supraleitung, Weinheim, VCH (Ein Muß für den tiefergehend
Interessierten. Wird von Auflage zu Auflage aktualisiert.)
3. Vorbereitung
Beschreiben Sie das temperaturabhängige Widerstandsverhalten typischer Metalle,
Halbleiter und supraleitender Materialien. Wie kommt Supraleitung zustande? Wie
verhält sich ein Supraleiter im Magnetfeld (idealer Diamagnet, Meissner-OchsenfeldEffekt)? Erklären Sie die Begriffe: Supraleiter 1. und 2. Art, Flussquantisierung,
Shubnikov-Phase und Abrikosov-Gitter.
Magnetische Suszeptibilität: Man vergleiche die Magnetisierungskurven eines
Diamagneten, eines Paramagneten, eines idealen Supraleiters, eines „harten“
Supraleiters 2. Art und eines Ferromagneten. Wie beeinflussen die Größen
Magnetfeld, Temperatur und Stromdichte die supraleitende Phase? Beschreiben Sie
die Transportmessung in 4-Pol-Geometrie bzw. die induktive Messmethode (ACSuszeptibilität). Informieren Sie sich zudem über den Aufbau und die elektrische
Berschaltung des Probenstabes und über die Lock-In Technik.
4. Versuchsdurchführung
a)
Widerstandsmessungen
Zunächst ist der R(T)-Verlauf des YBa2Cu3O7-Films beim Abkühlen ab
Raumtemperatur und anschließend (nach Unterschreiten der kritischen
Temperatur) nochmals -hochaufgelöst- beim Aufheizen im Bereich des
Phasenüberganges aufzunehmen. Diskutieren Sie diesen mit dem Betreuer im
Hinblick auf supraleitende Fluktuationen.
b)
Induktive Messungen
Sowohl Real- als auch Imaginärteil der magnetischen AC-Suszeptibilität
χ = χ’ + iχ’’ sind temperaturabhängig beim Abkühlen und Aufheizen
aufzunehmen.
c)
Levitationsversuche
Bringen Sie verschiedene supraleitende Proben über dem Magneten zum
Schweben, bzw. versuchen Sie, die Proben unter einem Magneten hängen zu
lassen.
Führen Sie das Schweben mit verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen durch
(Ringmagnet, Magnetfolie, Quadrupol). In welchem Fall ist die Bewegung des
Supraleiters im Magnetfeld gedämpft, in welchem bleibt sie ungedämpft?
Realisieren Sie den Meissner-Ochsenfeld-Effekt.
5. Auswertung
zu a) Wie lässt sich das Widerstandsverhalten in der Normalleitung beschreiben?
Bestimmen Sie Tc,o (Temperratur verschwindenden Widerstandes), Tc,onset
(Temperatur, bei der Supraleitung erstmals einsetzt) und ∆Tc = (Tc,o – Tc,onset) für
die beiden Messungen. Warum unterscheiden sich die beiden Kurvenverläufe
beim Abkühlen bzw. Aufwärmen voneinander? Welcher Verlauf ist besser für
die Auswertung geeignet?
Erläutern Sie die Bedeutung von supraleitenden Fluktuationen im Phasenübergang.
zu b) Bestimmen Sie die kritischen Temperaturen wie bei a), wobei jetzt Tc,o die
Temperatur ist, ab der der Supraleiter kein idealer Diamagnet mehr ist.
Bei welcher Temperatur wird der Imaginärteil der Suszeptibilität χ’’ maximal?
Zeigen Sie, dass der Imaginärteil der Suszeptibilität χ’’ proportional zu den
Hystereseverlusten, d.h. der von der Hystereseschleife eingeschlossenen
Fläche, ist (AH = π (µoHAC)2χ’’).
zu c) Erklären Sie die verschiedenen Levitationsexperimente. Welche Kräfte wirken
dabei auf die Proben? Wie ist die Levitationskraft mit der Magnetisierung
verknüpft? Warum kann ein Supraleiter mit starkem Pinning unter einem
Magneten hängen?