Szupravezető alapjelenségek A méréseket összeállította és az útmutatót írta: Balázs Zoltán 1. Meissner effektus bemutatása: Mérési összeállítás: 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: 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
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. 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 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; kezdő: 10MHz, vége: 1 MHz Idő: 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 = I2 = I3 = I4 = I1 = I2 = I3 = I4 = Hőmérő (mv) T (K) 6,42 77 6,4 77,5 6,35 78,5 6,3 80 6,25 81 6,2 82 6,15 83,5 6,1 85 6,05 86 6 87 5,95 88,5 5,9 90 5,85 91 5,8 93 5,75 94 5,7 95,5 5,65 97 5,6 98 5,55 99 5,5 100,5 5,45 102 5,4 103 5,35 105 5,3 106 5,25 107,5 5,2 109 5,15 110 5,1 112 5,05 113 5 115 4,95 116 4,9 117 4,85 119 4,8 120 4,75 122 4,7 123 4,65 124 4,6 126 4,55 127 4,5 129 4,45 130 4,4 132 4,35 133 (mv) (mv) (mv) (mv) R1 R2 R3 R4 6