* Zulassungsarbeit von Claudia Süß (1989); auszugsweise

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1 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 Literaturmappe: * H. Ullmeier: Grundlagen der Supraleitung, aus: Festkörperforschung für die Informationstechnik, Forschungszentrum Jülich 1990 (21 Seiten) * Zulassungsarbeit von Claudia Süß (1989); auszugsweise * 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) * G. Koppelmann, J. Linders: Supraleitung und Hochtemperatur- Supraleiter, PhuD 2, 1989 ( ) * 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.)

2 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-Ochsenfeld- Effekt)? 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 (AC- Suszeptibilität). 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 YBa 2 Cu 3 O 7 -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 T c,o (Temperratur verschwindenden Widerstandes), T c,onset (Temperatur, bei der Supraleitung erstmals einsetzt) und T c = (T c,o T c,onset ) für die beiden Messungen. Warum unterscheiden sich die beiden Kurvenverläufe beim Abkühlen bzw. Aufwärmen voneinander? Welcher Verlauf ist besser für die Auswertung geeignet?

3 Erläutern Sie die Bedeutung von supraleitenden Fluktuationen im Phasenübergang. zu b) Bestimmen Sie die kritischen Temperaturen wie bei a), wobei jetzt T c,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 (A H = π (µ o H AC ) 2 χ ). 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?

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