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Untersuchungen Über den Verlauf des Eindringens Eines Transversalen Magnetfeldes in Einen Supraleiter
UNTERSUCHUNGEN UBER DEN VERLAUF DES EINDRINGENS EINES TRANSVERSALEN MAGNETFELDES IN EINEN SUPRALEITER von W. J. DE HAAS und J. M. CASIMIR-JONKER Communication No, 229d from the Kamerlingh Onnes Laboratory, Leiden
Bekarmtlich zeigt Vqismuth bei der Temperatttr des fltissigen Heliums eine betr~tchtliche Widerstands~tnderung im Magnetfeld; diese Eigenschaft kan man ausnfitzen um kleine Felditndenmgen festzustellen: aus einer beobachteten Widerstandsitndenmg kann man auf eine eintsprechende Felditnderung schliessen. Ziel unserer Messungen war die Felditnderungen in einem supraleitenden Stab zu studieren. Zu diesem Zweck wurde ein sehr dicker runder mo.nokristallinischer Draht aus weissem Zinn angefertigt (Diam. 7 ram., Litnge 80 mm.); darill befinden sich drei Glaskapillaren, eine yon diesen liegt genau in f . "~x der Achse, die zwei anderen sind mit der Achse parallel, liegen mit dieser in einer Ebene und sind etwa 1 m m yon der Wand entfernt. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt dutch den Zylinder. Nachdem der Kristall hergestellt war, sindWismuthdriihtchen mit angeschweissten Strom- und Fig. 1. Potentialdriihten aus Kupfer in diese Glaskapillaren hineingezogen worden. Die Liinge der Bi-Dr'~htlte ist klein gegen die L~aage des Zylinders (1--2 cm.). Die WiderstandsAnderung von zwei dieser Bi-Dr~hte wurde bei zwei Temperaturen unmittelbar oberhalb des Sprungpunktes geeicht. Fig. 2 (Tabelle I) zeigt eine dieser Eichkurven; wie man sieht befolgt die Widerstands~nderung ungef~hr ein kwadratisches Gesetz.
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w.j.
D E HAAS U N D J. M. C A S I M I R - J O N K E R
Nun wurde folgender Versuch ausgeffiahrt: a. Der Zinnzylinder wird abgekfihlt bis unterhalb des Sprungpunktes ohne/iusseres Magnetfeld. b. Man schaltet ein transversales Magnetfeld ein und 1/isst es schrittweise zunehmen bis zu einem Wert, bei dem die Supraleitung vSllig zerstSrt ist.
L/
~o~
tO~
ID1 ®Bi I ~6L E T=3.83OK.
tOC
~ ' H
20
t0
30
40
F i g . 2. E i c h u n g y o n W i s m u t h d r ~ h t e n
50q
i m lViagnetfeld.
TABELLE I Bi I u n d Bi II.
T = 3.83 ° K.
H
R/RB=oI
R/RH=olI
0G. 6.0 12.0 17.9 23.9 29.9 37.8 43.1 43.4
1.0000 1.0017 1.0043 1.0075 1.0119 1.0169 1.0240
1.0000 1.0013 1.0038 1.0077 1.0127 1.0189 1.0275 1.0349
1.0302
Man bestimmt die Widerstands/inderungen der Bi-Dr~htchen ffir mehrere Werte des/iusseren Feldes und erhiilt so einen Uberblick fiber die Anderungen des Magnetfeldes an den betreffenden SteUen des Zinnzylinders. Die Widerstands/inderung des Zinns wurde dabei nicht gemes-
UNTERSUCHUNGEN
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0 B E R D E N VEP,.LAUF
sen, da der Wert des ~usseren Feldes bei welchem die Supraleitung vollstiindig zerst6rt war, yon ~lteren Mes~ungen her bekannt war. t04
t.O~
/
tD21 @ Bt
I.
+ Bt
II lit
;," Bt
T= 3.48°K.
't01
/'
I
/
°
tDC ~ " /
H
ln~_~. ~_
,~ ¢
.
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S0G
Fig. 3. Widerstands~nderung von den Wismuthdr/ihtchen beim Eindringen des Feldes. TABELLE II B i I, I I u n d I I I . T = 3.48 ° K. H ± Ebene der Dr/ihtchen H
R / R H = oI
0 - - 1 6 . 9 G.
1.0000 1.0002 1.001 1.002 1.004 1.012 1.013 1.016 1.018 1.019 1.020 1.022 1.029 1.033
17.5
18.1 18.1 19.0 20.4 20.4
23.4 26.3
29.2 32.1 35.0 40.9 43.8
H
0--19.0 G. 20.4 21.9 21.9 23.4 26.3 29.2 32.1 38.0 43.8
R / R H = OI i
1.0000 1.0005 1.005 1.007 1.014 1.018 1.020 1.021 11026 11033
H
0--17.5 G. 17.6 17.8 19.0 19.0 21.9 26.3 32.1 38.0 43.8
R / R H = oI I I
1.0000 1.0014 1.0018 1.006 1.007 1.016 1.020 1.022 1.026
1.032
Die Widerstands~inderungen der Bi-Dr~ilatchen sind angegeben in Tabelle n und Fig. 3; Fig. 1 zeigt die Orientierung des Magnetfeldes
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W . J . DE HAAS UND J . M. CASIMIR-JONKER
relativ zu der Ebene tier Bi-Dr~ihtchen. Die Kurven der Fig. 3 sind so korrigiert, dass gleiche Widerstands~inderungen gleichen Magnetfeldern entsprechen. Die Fig. 3 zeigt: 1. Der Widerstand der Bi-Ddihtchen bleibt vollst~indig ungeiindert bis zu einem gewissen Wert des ~iusseren Feldes. 2. Dieser Wert ist fiir das mittlere Dr~ihtchen gr6sser als fiir die beiden ~iusseren Dr~htchen. 3. Die Gestalt der Kurve fiir die Widerstands~inderung als Funktion des ~iusseren Feldes ist sehr verschieden yon der Kurve fiir die normale Widerstands~inderung eines Bi-Drahtes in Magnetfeld (Diese Kurve ist in Fig. 3 punktiert eingetragen). Wir k6nnen daraus folgendes schliessen: Beim Einschalten eilleS iiusseren Magnetfeldes entstehen persistierende Str6me, die die Anderung des, Magnetfeldes im Inneren des Supraleiters kompensieren. Bei einem bestimmten Wert des ~iusseren Feldes wird am Rande (d.h. in den Punkten I und III der Fig. 1) die Supraleitung zerst~rt, die persistierenden Str6me verschwinden und das Magnetfeld erf~hrt an diesen Stellen eine starke Anderung. Allm~ahlich dringt nun das Feld weiter in den Draht hinein; bei unseren Messungen liegt zwischen dem Wert des Feldes bei dem dieser Prozess anfiingt und dem Wert bei dem das Feld bis zur Achse vorgedrungen istl ein Intervall von etwa 3 Gauss. Der Wert des ~iusseren Magnetfeldes, bei welchem die erste Widerstands~inderung der ~iusseren Bi-Driihtchen auftritt, liegt nut einige Prozente oberhalb des Wertes, bei welchem im transversalen Magnetfelde der erste Widerstand des Zinns zu erwarten wiire. Da das ~iussere Dr~ihtchen noch etwa I mm. yon der Oberfl~iche des Zinns entfernt ist, diirfte das Eindringen des Feldes beim gleichen Feld einsetzen als das Zuriickkommen des Widerstandes (oder vielleicht sogar etwas friiher); m6glicherweise h~ingt dieses mit dem Entstehen eines Widerstandes an den Enden des Zylinders zusammen. Die erste Widerst~inds~inderung des axialen Bi-Ddihtchen wurde schon beobachtet bevor das Feld den Wert erreicht hatte, der bei dieser Temperatur (3.48 ° K) vollst~indige Zerst~rung der Supraleitung herbeifiihrt (etwa 32 Gauss). Erst ftir Felder fiber 32 Gauss fallen die gemessenen Kurven mit der Kurve der normalen Widerstands~inderung zusammen.
UNTERSUCHUNGEN
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UBER DEN VERLAUF
Nachdem wir das Eindringen eines transversalen Magnetfeldes bei senkrechter Orientierung yon Feld und Ebene der Bi-Driihtchen (Fig. I) untersucht hatten, haben wit die Messungen wiederholt ftir den Fall, dass das Feld parallel zur Ebene der Bi-Drithtchen orientiert ist. t.02
/
t.01
,mc
.I.,I
10
F i g . 4. E i n d r i n g e n
oBi I mBi. it T= 3.53°K.
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des Magnetfeldes//der
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Fli~che d e r W i s m u t h d r A h t c h e n .
TABELLE III
Bi I u n d Bi II.
T = 3.53* K. H / / E b e n e der Driihtchen
H
RIRH=oI
R/RH=oII
0G. 6.0 12.0 14.9 15.5 15.4 19.0 20.9 22.6 25.4 30.2 35.9
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0013 1.0032 1.0081 1.0112 1.0140 1.0146 1.0175 1,0228
1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0011 1.0025 1.0102 1.0139 1.0153 1.0157 1.0180 1.2028
Die Ergebnisse sind in Tabelle III und Fig. 4 dargestellt. Es zeigt sich dass in diesem Fall die Widerstandsiinderung fiir Dr~ihtchen I und II beim selben Feld einsetzt.
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Schliesslich haben wir einige Beobachtungen ausgeftihrt, bei denen der Zinndraht in einem konstanten Feld abgekiihlt wurde. Es scheint sich zu ergeben, dass in tier Umgebung der ~usseren BiDr~htchen das Feld aus dem Supraleiter verschwindet. Beim mittleren Dr~htchen hingegen wurde beim Sprungpunkt eine Zunahme des Feldes gefunden. Qualitativ sind diese Ergebnisse in Ubereinstimmung mit den Messungen yon Meissner und Ochsenfeld, Naturwissenschaften 21, 787, 1933. Diese Beobachtungen kSnnten eine Anzeige dafiir sein, dass das Verschwinden des Magnetfeldes aus einem Supraleiter ein kompliziertes Ph~nomen darstellt; doch sind im ailgemeinen die Messungen noch zu unzuverl~ssig. Wir beabsichtigen unsere Versuche mit grSsserer Genauigkeit zu wiederholen und weiterzuftihren.
Bekarmtlich zeigt Vqismuth bei der Temperatttr des fltissigen Heliums eine betr~tchtliche Widerstands~tnderung im Magnetfeld; diese Eigenschaft kan man ausnfitzen um kleine Felditndenmgen festzustellen: aus einer beobachteten Widerstandsitndenmg kann man auf eine eintsprechende Felditnderung schliessen. Ziel unserer Messungen war die Felditnderungen in einem supraleitenden Stab zu studieren. Zu diesem Zweck wurde ein sehr dicker runder mo.nokristallinischer Draht aus weissem Zinn angefertigt (Diam. 7 ram., Litnge 80 mm.); darill befinden sich drei Glaskapillaren, eine yon diesen liegt genau in f . "~x der Achse, die zwei anderen sind mit der Achse parallel, liegen mit dieser in einer Ebene und sind etwa 1 m m yon der Wand entfernt. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt dutch den Zylinder. Nachdem der Kristall hergestellt war, sindWismuthdriihtchen mit angeschweissten Strom- und Fig. 1. Potentialdriihten aus Kupfer in diese Glaskapillaren hineingezogen worden. Die Liinge der Bi-Dr'~htlte ist klein gegen die L~aage des Zylinders (1--2 cm.). Die WiderstandsAnderung von zwei dieser Bi-Dr~hte wurde bei zwei Temperaturen unmittelbar oberhalb des Sprungpunktes geeicht. Fig. 2 (Tabelle I) zeigt eine dieser Eichkurven; wie man sieht befolgt die Widerstands~nderung ungef~hr ein kwadratisches Gesetz.
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Nun wurde folgender Versuch ausgeffiahrt: a. Der Zinnzylinder wird abgekfihlt bis unterhalb des Sprungpunktes ohne/iusseres Magnetfeld. b. Man schaltet ein transversales Magnetfeld ein und 1/isst es schrittweise zunehmen bis zu einem Wert, bei dem die Supraleitung vSllig zerstSrt ist.
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TABELLE I Bi I u n d Bi II.
T = 3.83 ° K.
H
R/RB=oI
R/RH=olI
0G. 6.0 12.0 17.9 23.9 29.9 37.8 43.1 43.4
1.0000 1.0017 1.0043 1.0075 1.0119 1.0169 1.0240
1.0000 1.0013 1.0038 1.0077 1.0127 1.0189 1.0275 1.0349
1.0302
Man bestimmt die Widerstands/inderungen der Bi-Dr~htchen ffir mehrere Werte des/iusseren Feldes und erhiilt so einen Uberblick fiber die Anderungen des Magnetfeldes an den betreffenden SteUen des Zinnzylinders. Die Widerstands/inderung des Zinns wurde dabei nicht gemes-
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sen, da der Wert des ~usseren Feldes bei welchem die Supraleitung vollstiindig zerst6rt war, yon ~lteren Mes~ungen her bekannt war. t04
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Fig. 3. Widerstands~nderung von den Wismuthdr/ihtchen beim Eindringen des Feldes. TABELLE II B i I, I I u n d I I I . T = 3.48 ° K. H ± Ebene der Dr/ihtchen H
R / R H = oI
0 - - 1 6 . 9 G.
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18.1 18.1 19.0 20.4 20.4
23.4 26.3
29.2 32.1 35.0 40.9 43.8
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Die Widerstands~inderungen der Bi-Dr~ilatchen sind angegeben in Tabelle n und Fig. 3; Fig. 1 zeigt die Orientierung des Magnetfeldes
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relativ zu der Ebene tier Bi-Dr~ihtchen. Die Kurven der Fig. 3 sind so korrigiert, dass gleiche Widerstands~inderungen gleichen Magnetfeldern entsprechen. Die Fig. 3 zeigt: 1. Der Widerstand der Bi-Ddihtchen bleibt vollst~indig ungeiindert bis zu einem gewissen Wert des ~iusseren Feldes. 2. Dieser Wert ist fiir das mittlere Dr~ihtchen gr6sser als fiir die beiden ~iusseren Dr~htchen. 3. Die Gestalt der Kurve fiir die Widerstands~inderung als Funktion des ~iusseren Feldes ist sehr verschieden yon der Kurve fiir die normale Widerstands~inderung eines Bi-Drahtes in Magnetfeld (Diese Kurve ist in Fig. 3 punktiert eingetragen). Wir k6nnen daraus folgendes schliessen: Beim Einschalten eilleS iiusseren Magnetfeldes entstehen persistierende Str6me, die die Anderung des, Magnetfeldes im Inneren des Supraleiters kompensieren. Bei einem bestimmten Wert des ~iusseren Feldes wird am Rande (d.h. in den Punkten I und III der Fig. 1) die Supraleitung zerst~rt, die persistierenden Str6me verschwinden und das Magnetfeld erf~hrt an diesen Stellen eine starke Anderung. Allm~ahlich dringt nun das Feld weiter in den Draht hinein; bei unseren Messungen liegt zwischen dem Wert des Feldes bei dem dieser Prozess anfiingt und dem Wert bei dem das Feld bis zur Achse vorgedrungen istl ein Intervall von etwa 3 Gauss. Der Wert des ~iusseren Magnetfeldes, bei welchem die erste Widerstands~inderung der ~iusseren Bi-Driihtchen auftritt, liegt nut einige Prozente oberhalb des Wertes, bei welchem im transversalen Magnetfelde der erste Widerstand des Zinns zu erwarten wiire. Da das ~iussere Dr~ihtchen noch etwa I mm. yon der Oberfl~iche des Zinns entfernt ist, diirfte das Eindringen des Feldes beim gleichen Feld einsetzen als das Zuriickkommen des Widerstandes (oder vielleicht sogar etwas friiher); m6glicherweise h~ingt dieses mit dem Entstehen eines Widerstandes an den Enden des Zylinders zusammen. Die erste Widerst~inds~inderung des axialen Bi-Ddihtchen wurde schon beobachtet bevor das Feld den Wert erreicht hatte, der bei dieser Temperatur (3.48 ° K) vollst~indige Zerst~rung der Supraleitung herbeifiihrt (etwa 32 Gauss). Erst ftir Felder fiber 32 Gauss fallen die gemessenen Kurven mit der Kurve der normalen Widerstands~inderung zusammen.
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Nachdem wir das Eindringen eines transversalen Magnetfeldes bei senkrechter Orientierung yon Feld und Ebene der Bi-Driihtchen (Fig. I) untersucht hatten, haben wit die Messungen wiederholt ftir den Fall, dass das Feld parallel zur Ebene der Bi-Drithtchen orientiert ist. t.02
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Fli~che d e r W i s m u t h d r A h t c h e n .
TABELLE III
Bi I u n d Bi II.
T = 3.53* K. H / / E b e n e der Driihtchen
H
RIRH=oI
R/RH=oII
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1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0013 1.0032 1.0081 1.0112 1.0140 1.0146 1.0175 1,0228
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Die Ergebnisse sind in Tabelle III und Fig. 4 dargestellt. Es zeigt sich dass in diesem Fall die Widerstandsiinderung fiir Dr~ihtchen I und II beim selben Feld einsetzt.
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