2. gyakorlat
Szupravezető mérés A gyakorlat során a hallgatók 5 mérési feladatot végeznek el:
1. Meissner effektus bemutatása: Mérés célja: az elméletben megismert Meissner effektus gyakorlati megjelenítése és néhány felmerülő kérdés megfontolása. A mérésnél használt eszközök: – styrofoam csésze – szupravezető lemez – állandó mágnes – folyékony nitrogén – speciális csipesz Mérési összeállítás: Szupravezető korong
Állandó mágnes
Folyékony nitrogén
Styrofoam csésze
2. gyakorlat
1
A mérés menete: 1. A csipesszel a styrofoam csészébe helyezze a szupravezető lemezt. 2. Óvatosan öntse a folyékony nitrogént a csészébe kb. 4-5mm vastagságban úgy, hogy az teljesen fedje be a szupravezető lemezt. 3. A nitrogén felforr a lemez körül. Várja meg, míg a forrás megszűnik! Miután a lemezt teljesen beborítja a folyékony nitrogén, a csipesz segítségével vegye fel a rendelkezésre álló állandó mágnest és kísérelje meg azt kiegyensúlyozni a lemez felett! A szupravezető lemez felületére való leesés helyett a mágnes néhány mm-rel a lemez felett lebegni fog. 4. Óvatosan megpörgethető a mágnes, és az hosszú időn keresztül forog, így bemutatható, hogy a kialakított rendszernek nincs ellenállása a forgással szemben (kivéve a légellenállást). Energia tárolás veszteség nélkül! Biztonsági előírások: – Viseljen biztonsági szemüveget a folyékony nitrogénnel végzett munka során! – Viseljen védőkesztyűt a folyékony nitrogénnel végzett munka során! – Soha ne érintkezzen a folyékony nitrogén a testükkel! – Ne érintse meg azokat a tárgyakat, amelyek folyékony nitrogénbe merültek, míg azok újra szoba-hőmérsékletűek nem lesznek! Néhány kérdés: – Miért forr fel a nitrogén, amikor beleöntjük a csészébe? – Amikor a nitrogén elpárolgott a csészéből a mágnes még hosszabb rövidebb ideig lebegve marad, miért? – Ha a lebegő mágnest a szupravezető felé mozgatjuk, akkor ez a mozgás ellenállás ellenében vihető végbe, miért?
2. Kritikus hőmérséklet meghatározása a Meissner effektus segítségével A mérés célja: A szupravezető lemez kritikus hőmérsékletének (TC) meghatározása, az előző feladatban megismert és csak demonstrációs céllal bemutatott Meissner effektus felhasználásával. 2. gyakorlat
2
A mérésnél használt eszközök: – styrofoam csésze – szupravezető lemez (6 kivezetéssel) – állandó mágnes – folyékony nitrogén – speciális csipesz – digitális multiméter/hőmérő – termoelem Mérési összeállítás: piros
Termoelem
zöld
V
APPA 107
A mérés menete: 1. A termoelem kivezetéseit csatlakoztassa a voltmérőhöz! 2. Kapcsolja a multimétert mV mérő módba! 3. Öntsön a szupravezető lemezre folyékony nitrogént. 4. Várjon addig, amíg a voltmérőn kijelzett érték 6,4mV nem lesz, ekkor hőmérséklet -196°C. Ez az érték 77K-t jelent. A mért feszültséget a mellékelt táblázat segítségével számítsa át hőmérsékletre! 5. Óvatosan egyensúlyozza ki az állandó mágnest a szupravezető felett. 6. 5 másodpercenként olvassa le a hőmérő által mutatott értékeket! 7. A mágnes több percig lebeg a szupravezető lemez felett, ez alatt az idő alatt a hőmérséklet növekszik. Idővel a mágnes süllyed a szupravezető felé. Végül eléri a szupravezető felületét, vagy oldal irányban kimozdul. A hőmérséklet, amit ekkor mér a szupravezető lemez TC kritikus hőmérséklete. Jegyezze fel a kritikus hőmérsékletet!
2. gyakorlat
3
Biztonsági előírások: – Viseljen biztonsági szemüveget a folyékony nitrogénnel végzett munka során! – Viseljen védőkesztyűt a folyékony nitrogénnel végzett munka során! – Soha ne érintkezzen a folyékony nitrogén a testükkel! – Ne érintse meg azokat a tárgyakat, amelyek folyékony nitrogénbe merültek, míg azok újra szoba-hőmérsékletűek nem lesznek! Néhány kérdés: – Néha a mágnes hirtelen átlebeg a szupravezető lemez egyik oldalára, amint a lemez melegszik. Próbálja megmagyarázni a jelenséget! – A nitrogén elpárolgása után a lemezen dér rakódik le, miért? – A kísérletet végezze el úgy is, hogy először tegye a mágnest a szupravezető lemezre, hűtse le és ezután mérje meg a kritikus hőmérsékletet. Van-e különbség a két mérési eredmény között, ha van miért?
3. A szupravezető ellenállásának mérése a hőmérséklet függvényében A mérés célja: a szupravezető anyag Tc kritikus hőmérsékletének meghatározása. A mérésnél használt eszközök: – styrofoam csésze – szupravezető tekercs – folyékony nitrogén – speciális csipesz – áramgenerátor – digitális voltmérő – digitális árammérő
2. gyakorlat
4
Mérési összeállítás: Áramgenerátor PS 303
A U23
VC 240 A
V Appa 107 Fehér
Fekete
Fehér
V HM 8012 Piros
1 2
Fekete
Zöld
Szupravezető tekercs
3 4
Styrofoam csésze
A mérés menete: 1. Állítsa össze a fenti kapcsolást szobahőmérsékleten! 2. Tegye be a szupravezető tekercset a folyékony nitrogénfürdőbe! 3. Állítson be 0,4A- áramot (VIGYÁZAT! Az áram soha sem lehet 0,5A-nél nagyobb, az ennél nagyobb áram tönkreteszi a szupravezetőt!) 4. A nitrogén a behelyezéskor felforr, várja meg a forrás befejeződését! 5. Ekkor jegyezze fel az U23 fezsültséget és a termoelem fezsültségét! 6. Jegyezze fel az U23 fezsültséget és a termoelem fezsültségét 0,05mV-onként, a termoelem feszültségéből. A mellékelt átszámítási táblázat segítségével határozza meg a szupravezető hőmérsékletét! 7. Addig ismételje a fenti pontot, amíg az U23 fezsültség már nem lesz nulla, és értéke állandósul! 8. Diagramban ábrázolja a hőmérséklet függvényében a mért ellenállás értékeket ( R = U23 / I ) 9. Határozza meg a diagram felhasználásával a szupravezető TC kritikus hőmérsékletét.
2. gyakorlat
5
Biztonsági előírások: – Viseljen biztonsági szemüveget a folyékony nitrogénnel végzett munka során! – Viseljen védőkesztyűt a folyékony nitrogénnel végzett munka során! – Soha ne érintkezzen a folyékony nitrogén a testükkel! – Ne érintse meg azokat a tárgyakat, amelyek folyékony nitrogénbe merültek, míg azok újra szoba-hőmérsékletűek nem lesznek! Néhány kérdés: – Miért van átmeneti meredeksége az ellenállás-hőmérséklet görbének a kritikus hőmérséklet környezetében? – Ha két kimenetű (nem négy vezetékes ) eszközt használnánk a kritikus hőmérséklet alatt nem nulla lenne az U23, miért?
4. A szupravezető kritikus áramának meghatározása Mérés célja: A szupravezetőben folyó áram maga körül mágneses teret hoz létre, az így létrehozott mágneses tér térerőssége meghaladhatja a HC kritikus térerősség értéket és megszünteti a szupravezető állapotot. A mérésnél használt eszközök: – styrofoam csésze – szupravezető tekercs – folyékony nitrogén – speciális csipesz – áramgenerátor – digitális voltmérő – digitális árammérő
2. gyakorlat
6
Mérési összeállítás: Áramgenerátor PS 303
A U23
VC 240 A
V Appa 107
I12
Fehér Fekete
Fehér
V HM 8012 Piros
1 2
Fekete
Zöld
Szupravezető tekercs
3 4
Styrofoam csésze
A mérés menete: 1. Állítsa össze a fenti kapcsolást szobahőmérsékleten! 2. Tegye be a szupravezető tekercset a folyékony nitrogénfürdőbe! 3. Állítson be 0,05A áramot! (VIGYÁZAT! Az áram soha sem lehet 0,5A-nél nagyobb, az ennél nagyobb áram tönkreteszi a szupravezetőt!) 4. A nitrogén a behelyezéskor felforr, várja meg a forrás befejeződését! 5. Ekkor jegyezze fel az U23 fezsültséget és a termoelem fezsültségét! 6. Jegyezze fel az U23 fezsültséget és a termoelem fezsültségét 0,05mV-onként, a termoelem feszültségéből. A mellékelt átszámítási táblázat segítségével határozza meg a szupravezető hőmérsékletét! 7. Addig ismételje a fenti pontot, amíg az U23 fezsültség már nem lesz nulla, és értéke állandósul! 8. A felvett értékeket diagramon ábrázolva megállapítható az adott áramhoz tartozó TC/I kritikus hőmérséklet! 9. Állítson be az előző áramértéknél 0,05A-el nagyobb áramot! (VIGYÁZAT! Az áram soha sem lehet 0,5A-nél nagyobb, az ennél nagyobb áram tönkreteszi a 2. gyakorlat
7
szupravezetőt!) 10.Öntsön ismét folyékony nitrogént a szupravezető tekercsre és mérje meg újra a TC/I kritikus hőmérsékletet. 11.A fentieket addig ismételje, míg a beállított áram a 0,45A-t el nem éri! A mérés kiértékelése: – Ábrázolja a mérési eredményeket az I14-TC/I diagramon! – Az I14 értékeket logaritmikus skálán ábrázolja! – A mérési eredményeket összekötő egyenest extrapolálja 77K-ra! A 77K-on a diagramból leolvasható a szupravezető IC kritikus árama.
5. A fordított Josephson effektus vizsgálata Mérés célja: Brian Josephson 1962-ben kimutatta: ha két szupravezető közé nagyon vékony elektromos szigetelő réteget helyezünk az egyenfeszültség hatására létrejövő a szupravezető áram áthalad ezen a rétegen. Ezt az áramot szuper áramnak hívják. Ezen a rétegen nagyfrekvenciás szinuszos jel jelenik meg. Gyakorlatunk ezt a kvantummechanikai hatást nagyon látványosan jeleníti meg. A hatás fordítva is működik, ha egy fent leírt anyagszerkezetre nagyfrekvenciás szinuszos jelet helyezünk, a kimeneteken egyenfeszültség jelenik meg. Az általunk használt szupravezető tekercs tulajdonképpen egy granulátum, ahol a szupravezető darabkák között nagyon vékony szigetelő rétegek találhatók. Így a tekercs tökéletesen alkalmas a fordított Josephson hatás bemutatására. A mérésnél használt eszközök: – styrofoam csésze – szupravezető tekercs – folyékony nitrogén – speciális csipesz – jelgenerátor – digitális voltmérő 2. gyakorlat
8
– digitális árammérő Mérési összeállítás: Jelgenerátor TR 0463 f = 1 MHz, Zki = 50 Ω U23 V Appa 107 Fekete
Fehér
Fehér
Fekete
V HM 8012 Piros
1 2
Zöld
Szupravezető tekercs
3 4
Styrofoam csésze
A mérés menete: – Állítsa össze a fenti kapcsolást szobahőmérsékleten! A jelgenerátor 1-10MHz frekvenciatartományú, 10Vcs-cs szinuszos jelet generáló műszer, az U23 voltmérő 0,001mV felbontású DC voltmérő. – Tegye be a szupravezető tekercset a folyékony nitrogénfürdőbe úgy, hogy a folyadék teljesen lepje el a tekercset! A nitrogén a behelyezéskor felforr. Várjuk meg, míg a forrás befejeződik! – Kapcsolja be a jelgenerátort! Állítson be 1MHz-es szinuszos kimenőjelet és olvassa le az U23 voltmérő által kijelzett feszültség értéket! – Növelje a jel frekvenciáját 0,5MHz-es lépésekben és jegyezze fel a voltmérő által mért értékeket. A frekvenciát 10MHz-ig növelje! A mérés kiértékelése: Ábrázolja a mérési eredményeket az f-U23 diagramon! 2. gyakorlat
9
