Vor R. Groer befaten sich bereits P. Eizinger K.M. Sattler und H. Barowski mit diesem Experiment der Levitation eines Magneten uber einem Supraleiter Bei ihren Untersuchungen verwendeten sie Niob den einzigen elementaren Typ II Supraleiter als Kondensatormaterial.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1 Supraleiter
1.2 Magnetische Levitation
1.3 Ziel dieser Diplomarbeit
2 Theoretische Vorbemerkungen
2.1 Allgemeine Bewegungsgleichung für die Oszillationen des Permanentmagneten im Kondensator
2.2 Auswirkungen der Reibungskraft auf die Schwingungsfrequenz
2.3 Bestimmung der Ladung des Magneten aus der Resonanzkurve
2.4 Das Umkehrproblem
2.5 Das Dipolmodell
3 Der Supraleiter Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid
3.1 Gesintertes YBCO
3.2 Schmelztexturiertes YBCO
3.3 Praktische Anwendungen
4 Experimenteller Aufbau
4.1 Die Meßzelle
4.2 Die Peripherie der Meßzelle
4.3 Thermometrie
4.4 Die elektronische Beschaltung
4.4.1 Detektion der Schwingungen des Permanentmagneten
4.4.2 Die elektronische Beschaltung der Meßzelle
4.5 Systematische Meßfehler und deren Korrektur
4.5.1 Frequenzabhängige Verstärkung des Elektrometervorverstärkers
4.5.2 Der Fehler in der Übersprechkompensation
5 Versuchsdurchführung
5.1 Herstellung eines Oszillators
5.2 Vorgehensweise bei der Aufnahme der Meßkurven
5.3 Vorversuche im Hybridkondensator
6 Ergebnisse im schmelztexturierten YBCO
6.1 Resonanzkurven
6.2 Die Dissipation
6.2.1 Die Geschwindigkeitsamplitude in Abhängigkeit von der Antriebskraft
6.2.2 Die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitsamplitude und der Resonanzfrequenz
6.2.3 Die Bewegung der Flußlinien
6.2.4 Anpassung der Theoriekurve an die Meßwerte
6.2.5 Die lineare Dämpfung
6.2.6 Die quadratische Dämpfung
6.2.7 Die Dämpfung aufgrund thermischer Aktivierung der Flußwirbel
6.2.8 Zusammenfassung und abschließende Diskussion
6.3 Dynamische Levitationskräfte
6.3.1 Die Frequenz in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsamplitude
6.3.2 Punktsymmetrische Rückführkräfte
6.3.3 Unsymmetrische Rückführkräfte
6.3.4 Die zweite und dritte Harmonische
6.4 Die statische Levitationskraft
6.4.1 Der Einfluß der statischen Levitationskraft auf die Geschwindigkeitsamplituden und die Resonanzfrequenzen
6.4.2 Die Auswirkungen der Levitationskraft auf die Dämpfung
7 Resümee und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Levitationsverhalten eines kugelartigen Permanentmagneten in einem Kondensator, dessen Elektroden aus schmelztexturiertem YBCO bestehen. Ziel ist es, die dynamischen Dämpfungs- und Levitationskräfte zu analysieren und mit Ergebnissen aus gesinterten YBCO-Kondensatoren zu vergleichen, um insbesondere die nichtlinearen Eigenschaften des Oszillators besser zu verstehen.
- Analyse von Dissipationsmechanismen und dynamischen Dämpfungskräften
- Untersuchung dynamischer Levitationskräfte mittels Resonanzkurven
- Vergleich zwischen schmelztexturiertem und gesintertem YBCO-Material
- Einfluss der Temperatur und des Ortes auf das Levitationsverhalten
Auszug aus dem Buch
Die Bewegung der Flußlinien
Um die in den nächsten Abschnitten behandelte Darstellung der Dissipationsverluste verstehen zu können, ist es nötig, zunächt einige Bemerkungen über die Dynamik von Flußlinien zu machen. Dies geschieht in diesem Abschnitt.
Für die Dissipationsverluste, die bei der Oszillation des Permanentmagneten im supraleitenden Kondensator aufgrund der Bewegung der Flußlinien auftreten, werden zwei verschiedene Mechanismen verantwortlich gemacht [10], die von der antreibenden Kraft abhängen:
Der eine beruht darauf, daß im Supraleiter lokale elektrische Felder auftreten: Wandert ein Flußschlauch über einen Punkt P hinweg, so herrscht am Ort P ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, welches seinerseits ein elektrisches Feld bedingt. Durch das elektrische Feld werden die ungepaarten Elektronen beschleunigt und können die aus dem elektrischen Feld gewonnene kinetische Energie auf das Gitter übertragen und auf diese Weise Wärme erzeugen.
Der zweite Verlustmechanismus hängt mit der räumlichen Variation der Cooper-Paardichte zusammen. Die Cooper-Paardichte nC ändert sich, wenn ein Flußschlauch den Ort P im Supraleiter passiert, da nC im Inneren eines Flußschlauches den Wert null hat und nach außen hin zunimmt. Bis das System nach einer Störung des Gleichgewichtszustandes nC in diesen zurückkehrt, vergeht die Relaxationszeit tau. Wandert der Flußschlauch nun so schnell, daß an der Vorderfront mehr Cooper-Paare unter Zuführung von Energie aufgebrochen werden als nach dem Durchgang der Flußlinie in derselben Zeit unter Energieabgabe wieder rekombinieren, so wird Energie dissipiert.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Diese Einleitung stellt das Forschungsvorhaben dar, welches auf der Arbeit von R. Groer aufbaut, und definiert die grundlegenden physikalischen Konzepte der Supraleitung und magnetischen Levitation.
2 Theoretische Vorbemerkungen: Es werden die theoretischen Grundlagen für nichtlineare Schwingungen, das Dipolmodell sowie die Bewegungsgleichungen für den Permanentmagneten im Kondensator erarbeitet.
3 Der Supraleiter Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid: Dieses Kapitel vergleicht die Eigenschaften und Herstellungsprozesse von gesintertem und schmelztexturiertem YBCO sowie deren Bedeutung für praktische Anwendungen.
4 Experimenteller Aufbau: Der Versuchsaufbau, einschließlich der Meßzelle, der Peripherie, der Thermometrie und der elektronischen Beschaltung zur Detektion der Schwingungen, wird detailliert beschrieben.
5 Versuchsdurchführung: Es wird erläutert, wie Oszillatoren hergestellt werden, wie Messungen durchgeführt wurden und welche Vorversuche im Hybridkondensator stattfanden.
6 Ergebnisse im schmelztexturierten YBCO: Dies ist das Hauptkapitel, in dem Resonanzkurven, Dissipationsmechanismen (lineare/quadratische Dämpfung, Flußliniendynamik), dynamische Levitationskräfte sowie statische Effekte umfassend analysiert und diskutiert werden.
7 Resümee und Ausblick: Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der wesentlichen Erkenntnisse über Dämpfungs- und Levitationskräfte und gibt einen Ausblick auf künftige Untersuchungen.
Schlüsselwörter
Supraleitung, YBCO, Magnetische Levitation, Permanentmagnet, Schmelztexturierung, Oszillator, Flußlinien, Dissipation, Dämpfung, Resonanzfrequenz, Pinningzentren, Nichtlineare Schwingungen, Tieftemperaturphysik, Meißner-Ochsenfeld-Effekt, Elektrostatische Levitation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das physikalische Verhalten eines Permanentmagneten, der in einem Kondensator über schmelztexturiertem YBCO schwebt, insbesondere hinsichtlich der auftretenden Dämpfungs- und Levitationskräfte.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Themenfelder umfassen die Charakterisierung von Dissipationsmechanismen, das Verständnis der Dynamik von Flußlinien im Supraleiter sowie die Analyse von nichtlinearen Schwingungseigenschaften des Oszillators.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das primäre Ziel ist es, das Levitationsverhalten in schmelztexturiertem YBCO zu verstehen und signifikante Unterschiede zu den Ergebnissen in gesintertem Material aufzudecken.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär angewendet?
Es werden erzwungene vertikale Schwingungen des Magneten beobachtet, wobei mittels Vektor-Lock-In-Technik Amplituden und Phasenlagen gemessen werden, um daraus Rückschlüsse auf Dämpfungsparameter und Levitationskräfte zu ziehen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil analysiert detailliert die gemessenen Resonanzkurven, die Temperatur- und Antriebskraftabhängigkeit der Geschwindigkeitsamplitude sowie die Bewegung von Flußlinien und deren Einfluß auf die Dissipation.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit?
Typische Begriffe sind Supraleitung, YBCO, Magnetische Levitation, Flußlinien, Dissipation, Dämpfung, Pinningzentren und Schmelztexturierung.
Wie unterscheidet sich die Dämpfung in schmelztexturiertem YBCO gegenüber gesintertem Material?
Die lineare Dämpfung ist in beiden Materialien ähnlich, jedoch zeigt das schmelztexturierte YBCO eine etwa doppelt so hohe quadratische Dämpfung, was auf eine höhere Dichte eingefrorener Flußlinien zurückgeführt wird.
Warum wurde eine elektrostatische Spannung zur Untersuchung genutzt?
Durch das Anlegen einer Gleichspannung am Kondensator konnte die Gleichgewichtslage des Magneten gezielt verschoben werden, um den Einfluß des Ortes auf die Levitationskräfte und die Dämpfung zu untersuchen.
- Quote paper
- Peter Höcherl (Author), 1998, Supraleitende Levitation über schmelztexturiertem Y Ba2 Cu3 O7-x, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185209
