Supravodivost. 1 Teoretický úvod. M. Odstrčil, T. Odstrčil FJFI - ČVUT, Břehová 7, Praha 1 michal@qmail.com, tom@cbox.cz

Transkript

1 Supravodivost M. Odstrčil, T. Odstrčil FJFI - ČVUT, Břehová 7, Praha 1 michal@qmail.com, tom@cbox.cz Abstrakt Účelem tohoto článku je seznámit čtenáře s naším experimentem, kdy jsme se snažili změřit přechodovou teplotu pro supravodiče YBaCuO a BiPbSrCaCuO, problémy těchto měření a možné způsoby vysvětlení a odstranění. 1 Teoretický úvod Supravodiče se dělí do 2 základních druhů, supravodiče I a II. typu.( do poznámky něco o tom že se tak nedělí vždy) My jsme naše měření prováděli na vysokoteplotních supravodičích, které se řadí do supravodičů II. typu. Jiné než vysokoteplotní není možné měřit ve školních praktikách, protože zatímco supravodiče, se kterými jsme pokus prováděli stačilo ochladit dusíkem, klasické nevysokoteplotní supravodiče by se musely chladit heliem a to už je přece jenom technicky náročnější. 2 Použité přístroje a pomůcky K měření jsme použili sadu na měření supravodivosti (obr. 1). Supravodič je v uložený sondě (číslo 2), která se vloží do dusíku. Výstup z tohoto přístroje, který převáděl měřené hodnoty odporu a teploty a napětí, jsme pak pomocí programu DataStudio zaznamenali do počítače. 3 Měření První měření jsem prováděli na supravodiči YBaCuO, protože ten byl integrovaný v měřící sondě už od výrobce. Měření probíhalo tak, že jsme sondu vložili do dusíku a zaznamenávali hodnoty. Sonda je hliníková krabička, ve které je umístěná?cuprexová? destička a na jí je připevněný supravodič. Destička se supravodičem je uvnitř krabičky umístěna tak, aby se nedotýkala stěn a teplo se přenášelo jen vzduchem, kterým je obklopena. Kdyby se supravodič vložil do dusíku přímo, tak by se sice dalo taky něco změřit (díky tomu že dusík je nevodivý), ale ten přechod by Obr. 1: Měřící aparatura s příslušenstvím 1

2 Obr. 2: Naměřené hodnoty v závislosti na čase byl tak rychlý (asi 20s), že by se téměř nic nedalo změřit. Po tom, co jsme supravodič ochladili, tak jsme ještě pro kontrolu vyzkoušeli opačný směr, kdy se sonda na vzduchu pomalu ohřívala. Při druhém měření jsme v sondě vyměnili supravodič a místo původního jsme tam vložili supravodič BiPbSrCaCuO, který měl vyšší přechodovou teplotu (podle výrobce 110K) a díky by měl být menší problém ho ochladit. S tím jsme provedli stejný postup, až na to, že jsme maximálně zesílili výstup z aparatury, protože odpor nového supravodiče byl řádově nižší. Supravodič YBaCuO měl odpor 5Ω a BiPbSrCaCuO měl 0,02Ω (údaj od výrobce, my jsme změřili 0,04Ω) 4 Problémy měření Problémem prvního měření bylo, že se nám nedařilo ochladit supravodič na dostatečnou teplotu, aby přešel do supravodivého stavu. První přákažka byla v tom, že průchodem měřícího proudu supravodičem a termistorem se supravodič slabě zahříval, ale protože jsme byli téměř na teplotě varu dusíku, tak i tento efekt zabraňoval přechodu. Proto jsme se pokusili několikrát vypnout měřící apararaturu a zase zapnout, aby měla teplota možnost poklesnout. Na obrázku 2 je vidět, jak i malý rozdíl teploty dokázal silně snížit odpor a naopak, jak krátké zapojení měřící aparatury dokázalo rychle ohřát supravodič. Z našeho měření nám vyšlo, že teplota přechodu je mezi -190 až U druhého měření prováděného na supravodiči BiPbSrCaCuO (nazývaný také BSCCO) jsme přechodovou teplotu naměřili celkem přesné (nezapomenout zmínit jakou) hlavně díky tomu, že byla vyšší a nebylo ani potřeba vypínat měřící aparaturu. Problém byl, že graf závislosti odporu na teplotě vypadal dost zvláštně (obr. 3). 5 Závěr Naměřené hodnoty pro YBaCuO obr. 4 černé body, na nich je vidět, že odpor už začal padat k nule, ale není tam vidět ta část, kdy by už měl výt konstantní (nulový), to je nejspíše zapříčiněno tím, že teplota varu dusíku je -195, takže případně zastavení poklesu bylo mimo přesnost převodníku, přenášejícího data do počítače (skoky mezi hodnotami teploty jsou 5 ). To že do supravodivého stavu opravdu dostal jsme ověřili později pomocí magnetu, který nad supravodičem levitoval, když byl supravodič ponořený v kapalném dusíku. Naměřená závislost celkem odpovídá hodnotám od výrobce (obr. 5), až na to že nám odpor začal padat od 10 stupňů později. Vysvětlení toho je, že YBaCuO je citlivé na vlhkost a když je dlouhou dobu ve vlhku, tak se zhoršují jeho vlastnosti [2]. Vysvětlení naměřených hodnot BiPbSrCaCuO je už složitější. První možnost, která nás napadla, byla že je to nějaký zvláštní druh polovodiče. To by vysvětlovalo proč se odpor se snižující teplotou zvyšuje a pak klesá. A opravdu BiPbSrCaCuO se chová jako polovodič (odkaz), ovšem jenom při teplotách nad 900 [1]. Navíc jsme zjistili, že závislot odpru n teplotě tohoto supravodiče, měla vypadat podobně jako u YBaCuO, při 300 K by měl být elektrický odpor kolem 0,02Ω, a pak by měl s klesající teplotou klesat po přímce směrem k bodu (0 K, 0 Ω). 2

3 Obr. 3: BiPbSrCaCuO - Závislost odporu na teplotě Obr. 4: Odpor v závislosti na teplotě 3

4 Obr. 5: Hodnoty naměřené výrobcem Při teplotě kolem 150 K by se měl odpor začít odchylovat od této přímky směrem k nižším hodnotám, při 110 K by měla být odchylka od přímky 50%, při 108 K by měl být odpor nulový. Další nejpravděpodobnější vysvětlení by byl termoelektrický jev. Protože byl nový supravodič menší než ten předchozí, tak se nám ho nepodařilo připevnit do sondy úplně symetricky a díky tomu se na jedné straně dotýkal měděného plíšku a na druhé straně ne. Výsledný efekt mohl opravdu být, že se tam vytvořil teplotní gradient, a přestože tepotní rozdíl nemohl být moc velký,tak se tam mohlo generovat napětí, které by ovlivňovalo naměřené hodnoty. Protože navíc měřící aparatura byla zesílena na maximální hodnoty, termoelektrické napětí by stačilo v řádech desítek až stovek µ V aby se na měření pojevilo (na obr 4 je porovnání hodnot pro YBaCuO a BiPbSrCaCuO, přestože hodnoty BiPbSrCaCuO byly zesíleny, tak jsou stále mnohem nižší než hodnoty YBaCuO, aparatura neměřila odpor, ale napět ový úbytek na supravodiči při konstantním proudu). Navíc když jsme potom sondu vytáhli ven na vzduch a měřili závislost při ohřívání, tak byl ten vzestup a pokles odporu mnohem méně výrazný, protože se to na vzduchu ohřívalo pomaleji, než když to bylo ponořené v dusíku. Řešením tohoto problému by bylo připojit ten supravodič v sondě, tak aby byly obě strany ochlazovány symetricky. Na druhou stranu, díky Seebackově jevu jsme byli schopni změřit teplotu přechodu celkem přesně na 110K, protože se supravodivostí vymizel. Pokud tam nebyla ještě jiná chyba a kdyby se tam ten jev neobjevil, tak by díky nepřesností měřících přístrojů byla vidět jen vodorovná přímka jedné hodnoty odporu, která by někde v půlce přešla do druhé přímky od bod níž a ta by zůstala do konce. Takže bychom nebyly schpni hodnotu přechodu ani přibližně odhadnout. 6 Možnost dalšího měření Pro další měření YBaCuO by bylo nejlepší ho zkusit dát na pár hodin do pece (třeba keramické) možná by stačilo je pár hodin, pak by se měla jeho teplota pomalu snižovat. Tím by se měly obnovit jeho vlastnosti, druhá možnost je upéct si vlasní supravodič z prášku, ale to je ještě složitější [3] Supravodič BiPbSrCaCuO je potřeba v sondě pořádně upevnit, druhá možnost je komutovat měřící proud a z naměřených výsledků by pak šel složit graf neovlivněný termoelektrickým napětím. Měření je ale pořeba udělat s citlivějším digitálním převodníkem napětí do počítače, na převod by šli použít multimetry METEX, ty by měli 5x vyšší přesnost, ale nepodařilo se nám k nim sehnat ovladače. Jiná možnost je sehnat nějaká počítač s lepší laboratorní kartou, která by měla dosahovat ještě vyšší přesnosti (nejlépe v řádech µv) Reference [1] Oliver Eibl: United States Patent US Patent Issued on September 9,

5 [2] S. M. Arora, V. H. Desai and K. B. Sundaram: The effect of processing parameters on the environmental stability of YBaCuO superconductor Journal of Materials Science [3] Leybold didactic: Experiment Kit for Producing a Superconductor Leybold didactic GMBH: 2007 [4] Leybold didactic: Superconductor, Experiment Kit for Determining the Transition Temperature Leybold didactic GMBH: