Szupravezető alapjelenségek A méréseket összeállította és az útmutatót írta: Balázs Zoltán
1. Meissner effektus bemutatása: Mérési összeállítás:
A mérés menete: 1. A csipesszel helyezze a polisztirol hab csészébe 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! 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? 1
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. Mérési összeállítás:
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 a 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.
8.
Jegyezze fel a kritikus hőmérsékletet!
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 Mérési összeállítás:
2
A mérés menete: 1.
Állítsa össze a fenti kapcsolást szobahőmérsékleten!
2.
Tegye be a szupravezető tekercset a folyékony nitrogénfürdőbe!
3.
Állítson be 0,1A-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 feszültséget és a termoelem feszültségét 0,05mV-onként. A mellékelt átszámítási táblázat segítségével határozza meg a szupravezető hőmérsékletét!
7.
Addig ismételje a fenti mérést, amíg az U23 feszültség 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! A kritikus hőmérséklet az, ahol a görbe meredeken változó szakaszához húzott érintő metszi a T tengelyt.
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?
3
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., illetve kisebb térerősség (áramerősség) esetén csökken a kritikus hőmérséklet. A mérés menete: 1.
Az előző méréssel teljesen megegyező elrendezésben dolgozunk. Még két sorozatot lemérünk, csak annyit változtatunk, hogy két nagyobb értéket állítunk be az áramgenerátoron, (továbbra sem emelve azt 0,5 A fölé).
2.
Mindkét esetben feljegyezzük az összetartozó termofeszültség – U2-3 adatsort, és ezekből számítva ábrázoljuk a T – R (hőmérséklet – ellenállás) függvényt.
3.
Így az előző mérésel együtt három I – TC adatpárunk lesz. Ezeket ábrázoljuk a logI – TC grafikonon. Egy egyenest kell kapjunk, amelyet 77K-re extrapolálva kapjuk a kritikus áramerősséget, IC-t.
(Megjegyzés: elvileg az a kritikus áram/térerősség, amely 0K hőmérsékleten szünteti meg a szupravezető állapotot, de gyakorlati szempontból az is egy kritikus érték, amely a cseppfolyós nitrogén forráspontján szünteti meg azt.
5. A fordított Josephson effektus vizsgálata 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 tulajdonképpen egy polikristályos kerámia, ahol a szupravezető szemcsék között nagyon vékony szigetelő rétegek találhatók. Így a korong tökéletesen alkalmas a fordított Josephson hatás bemutatására. A mérés menete: A mérési összeállítás nagyon hasonló az előző méréssel, csak az egyenfeszültségű tápegység helyett egy függvénygenerátort használunk. Ennek kimenő frekvenciáját külön egy frekvenciamérővel mérjük. A hőmérő adatait nem kell rögzíteni, csak ellenőrizni, hogy a mintánk szupravezető állapotban van. 4
A függvénygenerátoron a következőket állítsuk be:
Sinusos jel, 10 V csúcstól csúcsig feszültség
Frekvenciamenet;
Idő:
kezdő: 10MHz,
vége: 1 MHz
60 sec
A kapcsolás összeállítása után öntsön a mintára cseppfolyós nitrogént, és indítsa a függvénygenerátort! 2 – 3 ciklus lefutása után jól látható, hogy melyik frekvencia tartományban nő meg a kimeneti feszültség. Ennek ismeretében szűkíthetők a sweep-elés határai. Teljes adatrögzítés és grafikus kiértékelés nem szükséges, csak jegyezzük le a maximális feszültséget, és azt a frekvencia-tartományt, ahol a fordított Josephson effektus észlelhető volt. 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 szobahőmérsékletűek nem lesznek!
Jegyzetek ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..…. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 5
I1 = Hőmérő (mV)
T (K)
6,42 6,4 6,35 6,3 6,25 6,2 6,15 6,1 6,05 6 5,95 5,9 5,85 5,8 5,75 5,7 5,65 5,6 5,55 5,5 5,45 5,4 5,35 5,3 5,25 5,2 5,15 5,1 5,05 5 4,95 4,9 4,85 4,8 4,75 4,7 4,65 4,6 4,55 4,5 4,45 4,4 4,35
77 77,5 78,5 80 81 82 83,5 85 86 87 88,5 90 91 93 94 95,5 97 98 99 100,5 102 103 105 106 107,5 109 110 112 113 115 116 117 119 120 122 123 124 126 127 129 130 132 133
U 23 (mV)
I2 = U 23 (mV)
I3 = U 23 (mV)
I4 = U 23 (mV)
I1 = R1
I2 = R2
I3 = R3
I4 = R4
6
