Supergeleiding - KNAW Onderwijsprijs

Profielwerkstuk
Supergeleiding:
De verbetering van de type 2 supergeleider,
of
onbekende werking met een ongekend
resultaat
Max Kouwenhoven
Tjalling Haije
Natuurkunde & Scheikunde
Begeleider: Sjoerd Offerhaus
13 maart 2012
Inhoudsopgave
Voorwoord ............................................................................................................................................ 4
Inleiding ................................................................................................................................................. 6
1. Wat is supergeleiding?..................................................................................................................... 8
1.1
normale elektrische geleiding ............................................................................................... 8
1.2
BSC-theorie ............................................................................................................................ 11
1.3 Het Meissner effect ................................................................................................................... 14
2. Welke manieren zijn er om een supergeleider bij een hogere temperatuur supergeleidend
te maken? ............................................................................................................................................. 17
2.1 Type supergeleider................................................................................................................... 17
2.2 Externe factoren ........................................................................................................................ 21
2.3 Meetopstelling........................................................................................................................... 23
2.4 De proefomschrijving .............................................................................................................. 24
2.5 Werkopstelling Supergeleider in wijn ................................................................................... 25
2.6 Meetresultaten en waarnemingen .......................................................................................... 28
3. Wat gebeurt er op moleculair niveau met de supergeleider? .................................................. 29
3.1 Zuurstofopname ....................................................................................................................... 29
3.2 Fractals ....................................................................................................................................... 30
3.3 Magnetische ordening ............................................................................................................. 31
4. Welke stof heeft invloed op de supergeleider? .......................................................................... 32
4.1 Zuurstof opname ...................................................................................................................... 32
4.2 Fractals ....................................................................................................................................... 32
4.3 Magnetische ordening ............................................................................................................. 33
Conclusie ............................................................................................................................................. 34
Discussie & reflectie ........................................................................................................................... 38
Samenvatting Nederlands ................................................................................................................. 40
Samenvatting Engels .......................................................................................................................... 41
Literatuurlijst....................................................................................................................................... 42
Bijlagen ................................................................................................................................................. 45
Bijlage 1: Het supergeleiding experiment ................................................................................... 45
TU Delft.............................................................................................................................................45
Bijlage 2: Werkopstelling Destilleren wijn .................................................................................. 46
Pagina | 2
Bijlage 3: Zelf maken van een supergeleider .............................................................................. 47
Maken van de supergeleider FeTe1-x Sx.........................................................................................47
Maken van de supergeleider YBCO..............................................................................................47
Bijlage 4: Afleiding van de botsingtijd......................................................................................... 49
Logboek Tjalling ................................................................................................................................. 50
Logboek Max ....................................................................................................................................... 52
Eigenverklaring .................................................................................................................................. 54
Beoordeling ......................................................................................................................................... 55
De ontdekking van supergeleiding in 1911 http://media.leidenuniv.nl/legacy/2001%20Stromen%20zonder%20wrijving,%20de%20ontdekking%20van%20de%20supergel
eiding%20en%20haar%20betekenis.pdf
Pagina | 3
Voorwoord
Wij hebben ervoor gekozen om ons profielwerkstuk over supergeleiding te doen. We waren
bij een open dag op TU Delft in aanraking gekomen met supergeleiding. Tijdens deze open
dag hebben we een proef gezien die het meissner effect liet zien. We vonden dit een erg
interessant verschijnsel en daarom het leek ons leuk en interessant om ons profielwerkstuk
over supergeleiding te doen. Verder konden we dankzij het profielwerkstuk ons verdiepen
in de theorie achter supergeleiding, want op het middelbaar onderwijs wordt supergeleiding
niet behandeld.
Ook vonden we supergeleiding een leuk onderwerp, omdat het een maatschappelijk relevant
onderwerp is. Zo kan supergeleiding het elektriciteitsnet zuiniger maken, doordat er geen
elektrische weerstand meer is en supergeleiding kan toegepast worden om een trein te laten
zweven. Een zwevende trein heeft geen rolweerstand en dit bespaart ook energie.
Hedendaags bekende supergeleiders moeten nog extreem gekoeld worden voordat ze
supergeleidend worden. Op dit moment is supergeleiding nog niet ver genoeg ontwikkeld
om te worden geïntegreerd in de maatschappij. Daarom is het zaak om nieuwe
supergeleiders te ontwikkelen of om bestaande supergeleiders te verbeteren, zodat ze
minder extreem gekoeld hoeven te worden. Op dit moment wordt er dan ook veel
onderzoek gedaan om de kritische temperatuur van een supergeleider te verhogen.
Figuur 1 – De kritische temperatuur van
supergeleiders door de decennia heen.
http://hoffman.physics.harvard.edu/materials/SCintro.ph
p
Zoals te zien in figuur 1 steeg de kritische temperatuur van supergeleiders ontzettend snel
nadat de cupraten ontdekt waren. De hoogst bekende kritische temperatuur van een
supergeleider bedraagt 175 K, maar naar verwachting zullen we geen veel betere cupraten
meer ontdekken. Daarom wordt er nu veel onderzoek gedaan naar het verbeteren van
cupraten.
Pagina | 4
Wij lazen een stukje over Japans onderzoek [14], waarbij ijzer-telluur-zwavellegering
supergeleiders werden geweekt in rode wijn en waar een verbeterd resultaat uitkwam. Dit
leek ons erg interessant en we besloten om ditzelfde experiment te herhalen om te kijken of
dit echt waar is en om de verklaring achter dit fenomeen te onderzoeken.
Nadat we naar TU Delft waren geweest voor een workshop, werd ons duidelijk dat we de
supergeleider die wij voor ogen hadden zelf moesten maken. Omdat we deze ijzer-telluurzwavellegering supergeleider niet van TU Delft konden lenen. Na wat zoekwerk hadden we
een recept voor deze supergeleider, alleen telluur mag niet op school gebruikt worden,
omdat deze stof giftig is.
De volgende de stap was de supergeleider maken op TU Delft en dat leek allemaal goed te
gaan, totdat het opeens heel duidelijk werd dat er geen enkel proefje kon worden gedaan op
TU Delft, omdat TU Delft niet meewerkt aan PWS onderzoeken.
We hebben ons PWS moeten aanpassen, door een andere supergeleider te kiezen. Deze
hebben we aangeschaft en niet zelf gemaakt, want de vereiste machines waren niet tot onze
beschiking. Uiteindelijk konden we beginnen aan ons onderzoek. Wij hebben een
Yttriumbariumkoperoxide supergeleider geweekt in rode wijn en onderzocht of dit een
verbeterd resultaat gaf vergelijken met de nulmeting van deze supergeleiding. Voor zover
wij weten is dit onderzoek nog nooit eerder uitgevoerd.
Mede dankzij dhr. Offerhaus en mevr. Verhagen is het mogelijk geweest om ons onderzoek
op school te kunnen uitvoeren. Wij willen ze hiervoor hartelijk bedanken.
Pagina | 5
Inleiding
Relevantie onderzoek:
De hoeveelheid energie die wereldwijd jaarlijks nodig is wordt steeds groter. We hebben in
de toekomst meer energie nodig. Hoe gaan we dat doen? We kunnen nog meer energie gaan
produceren, maar dit zal de nodige problemen met zich mee brengen. Of we moeten
zuiniger om gaan met de hoeveelheid energie die nu geproduceerd wordt.
Supergeleiding kan ons helpen bij het zuiniger om gaan met energie. Met supergeleiding kan
er 10% van de energie die over het elektriciteitsnetwerk wordt getransporteerd, die
normaliter verloren gaat aan elektrische weerstand, worden bespaard. Ook zorgt
supergeleiding voor elektrische auto’s waarbij geen energie meer verloren gaat aan
elektrische weerstand en treinen kunnen zweven, dus geen rolweerstand meer. Deze energie
kan bespaart worden dankzij supergeleiding en er zijn nog veel meer mogelijkheden en
andere toepassingen van supergeleiding.
Voordat supergeleiding de maatschappij kan verbeteren, door bovenstaande manieren, moet
supergeleiding kunnen optreden bij een hogere temperatuur, want het koelen van de
huidige supergeleiders kost te veel energie. Het is dus zaak om supergeleiders te
ontwikkelen die bij een hogere temperatuur supergeleidend worden of om huidige
supergeleiders te verbeteren.
Onderwerp:
Supergeleiding.
Hoofdvraag:
Wat is de invloed van drank op supergeleiders?
Deelvragen:
Hoe werkt supergeleiding?
Welke manieren zijn er om een supergeleider bij een hogere temperatuur
supergeleidend te maken?
Wat gebeurt er op moleculair niveau met de supergeleider?
Welke stof heeft deze invloed op de supergeleider?
Hypothese:
Drank verbetert de werking van een supergeleider, doordat stoffen uit de
drank opgenomen worden in de supergeleider en daardoor de afstand tussen
de supergeleidende atomen verandert, wat de kritische temperatuur van de
supergeleider verhoogt.
Voorspelling: Als de prestatie van een supergeleider verbetert door drank zal de elektrische
weerstand van de supergeleider bij een relatief hogere temperatuur naar 0
ohm moeten gaan.
Pagina | 6
Werkwijze:
Deelvragen 1 en 2 uitwerken
Contact opnemen met TU Delft (inschrijven voor 10-11-2011, experiment 1711-2011)
Experiment opzetten
Experiment uitvoeren
Deelvragen 3, 4 en 5 uitwerken
*Opgeven voor een spreekuur TU Delft
Pagina | 7
1. Wat is supergeleiding?
Supergeleiding is de weerstandsloze vorm van geleiding. Dus om supergeleiding goed te
kunnen uitleggen moet er eerst normale elektrische geleiding worden uitgelegd.
1.1 normale elektrische geleiding
Als er meer elektronen per seconde van de ene pool naar de ander pool stromen, dan praten
we over elektrische geleiding. Het verschil in de hoeveelheid elektronen die van de kathode
naar de anode gaan en andersom noemt men de elektrische stroom. Deze kunnen we meten.
Formule:
[1]
[2]
De driftsnelheid is de gemiddelde snelheid van de elektronen. Concluderend uit deze
formules, als de driftsnelheid nul is, dan loopt er geen stroom.
Om een driftsnelheid te creëren moet er een elektrisch veld zijn. Dit elektrisch veld ontstaat
door een potentiaalverschil tussen beide kanten van de geleider.
Figuur 1 - Kinetische energie E van
de elektronen in een gewone
geleider uitgezet tegen de snelheid v.
Er is geen elektrisch veld. De EF
markeert de
grens tussen bezette en onbezette
toestanden. [17]
Pagina | 8
In figuur 1 staat de energie van de elektronen in de geleider uitgezet tegen de driftsnelheid.
In dit eendimensionale model betekent een negatieve driftsnelheid een beweging in de –x
richting en een positieve driftsnelheid een beweging in de +x richting. De hoogste energie
die voorkomt onder de elektronen noemt men EF, de Fermi-energie. Hoewel hogere
energieën voor elektronen mogelijk zijn, komt dit zonder elektrisch veld niet voor. De
kwantumstatistiek eist namelijk dat alle mogelijke energietoestanden EF vrij zijn en alle
energietoestanden beneden EF bezet zijn. Het resultaat is een gemiddelde driftsnelheid
waarde die gelijk is aan nul. Dit zien we in figuur 1: de verdeling van de stipjes is
symmetrisch en het spiegelvlak loopt verticaal door nul. Omdat de driftsnelheid nul is loopt
er dus geen stroom.
Figuur 2 - Kinetische energie E van de
elektronen in een gewone geleider
uitgezet tegen de snelheid v.
Er is een elektrisch veld. [17]
Zodra er een elektrisch veld  ontstaat, te gevolge aan het potentiaalverschil, ondervinden de
elektronen een Coulombkracht F.
Formule:
[3]
De elektronen worden door deze kracht versneld, aan de hand van de volgende formule
[4]
De versnelling a in formule [4] is ook wel te schrijven als zijn afgeleide
. Als we formule
[3] en [4] combineren krijgen we via een tussenstapje het volgende:
,dit wordt
[5]
Pagina | 9
In een constant elektrisch veld is het gehele rechterlid constant en dus neemt de snelheid van
de elektronen constant toe per tijdseenheid. De situatie in figuur 2 is ontstaan. Met andere
woorden na enige tijd is er een driftsnelheid ontstaan, er stromen meer elektronen in
positieve richting dan in negatieve richting. Dus vindt er stroomgeleiding plaats.
De toename van de driftsnelheid is gelimiteerd, anders zou de driftsnelheid alsmaar
toenemen. Anders gezegd er zouden steeds meer elektronen in positieve richting stromen en
steeds minder in negatieve richting. De stroom zou daardoor steeds verder toenemen en dat
wordt niet gemeten in een constant elektrisch veld.
Wat we zien gebeuren is dat de elektronen verstrooid worden, ze botsen met atomen uit het
rooster. Dit noemen we de gemiddelde botsingtijd  van een elektron. Voor het gevoel: een
goede geleider heeft bij kamertemperatuur een botsingtijd van
seconde.
Er zijn twee oorzaken voor het feit dat elektronen verstrooien. De eerste oorzaak is
roostertrillingen, deze is afhankelijk van de temperatuur. De tweede oorzaak is
roosterfouten, zoals verontreinigingen.
Het effect van zulke botsingen is dat de energie van een botsend elektron afneemt, op deze
manier probeert de evenwichtssituatie, waarin de driftsnelheid nul is, zich weer te herstellen.
(Verdeling van de elektronen symmetrisch maken- figuur 1). Doordat er nog steeds een
elektrisch veld is, ontstaat er een evenwicht. (Verdeling van de elektronen naar rechts
trekken – figuur 2). Dit evenwicht stelt zich in op een gemiddelde snelheid ongelijk aan nul,
er is een constante stroom. De grootte van de driftsnelheid correleert dus met het elektrisch
veld en de botsingtijd. Het elektrisch veld vergroot de driftsnelheid en de botsingtijd
vermindert de driftsnelheid. Met andere woorden de driftsnelheid hangt af van de verdeling
van de elektronen naar rechts (figuur 2) en de verdeling van de elektronen naar een
symmetrische parabool (figuur 1).
Formule:
[6]
Bij zulke botsingen neemt de kinetische energie af, deze energie wordt omgezet in warmte.
Deze botsingen noemt men de elektrische weerstand. De geleider wordt warmer.
Pagina | 10
1.2 BSC-theorie
In een supergeleider verdwijnt de elektrische weerstand wanneer de temperatuur van de
supergeleider beneden z’n eigen kritische temperatuur Tc komt.
Temperatuur is een grootheid om de mate van trillen van een atoom aan te geven. Rond het
absolute nulpunt trilt het atoom zo goed als niet meer. Het verminderen van het trillen heeft
op zich zelf al een positief effect op het verlagen van de weerstand. Maar er gebeurt nog iets
anders als de atomen zo goed als niet meer trillen. Doordat de atomen minder hard trillen
dan bij kamertemperatuur, heeft de aanwezigheid van een elektron wel degelijk invloed op
het atoom. Een voorbijkomend elektron trekt de roosteratomen in z’n buurt zo ver naar zich
toe, dat er tijdelijk een lokale concentratie positieve lading ontstaat. Omdat een elektron
sneller beweegt dan de roosteratomen, vindt het maximale effect plaats, ofwel de atomen
komen bij elkaar in de buurt, pas als het elektron al een eind verwijdert is van de
desbetreffende roosteratomen. Dus pas als het elektron een eind verwijdert is ontstaat er
tijdelijk een lokale positieve lading die een tweede elektron aantrekt. Vervolgens bewegen de
roosteratomen weer terug naar hun eerder positie, vanwege gelijke ladingen.
Figuur 3 - Elektron-roosterelektron
interactie.
(a) Normaal rooster met
naderend elektron.
(b) Rooster verstoord door de
passage van een elektron.
(c) De roosterverstoring heeft een
zwak aantrekkend effect op een
tweede elektron. [17]
De twee elektronen oefenen via het rooster een zwakke aantrekkende kracht op elkaar uit.
Op deze manier zijn de twee elektronen gebonden, dit heet een Cooperpaar. Een Cooperpaar
heeft een enorme coherentielengte, in de orde van 100 nm. De coherentielengte is de afstand
tussen de twee elektronen uit het Cooperpaar. Deze enorme coherentielengte is het gevolg
van de tijdsvertraging van de atomen, ofwel de tijd die de atomen nodig hebben om zich te
verplaatsen naar de plaats waar zij de maximale concentratie positieve lading creëren. Het
massamiddelpunt van deze eenheid (het Cooperpaar) staat stil, de twee gekoppelde
elektronen hebben een tegengestelde snelheid.
Het gevolg van de enorme coherentielengte is dat de verschillende Cooperparen door elkaar
heen bewegen. Om een idee te geven, er kunnen zich 106 andere elektronen uit verschillende
paren tussen de twee elektronen uit het desbetreffende Cooperpaar bevinden. De twee
Pagina | 11
elektronen uit een Cooperpaar hebben dus niet alleen interactie met elkaar, maar ook met
andere elektronen. Hierdoor vormt zich een macroscopische kwantumtoestand. Een
fenomeen dat men ook wel Bose-Einstein condensatie noemt. Bose-Einstein condensatie is
een laag-energetische aggregatietoestand, dit is de vijfde aggregatietoestand naast vast,
vloeibaar, gas en plasma. Bose-Einstein condensatie houdt in dat de Cooperparen elkaar
overlappen met als gevolg dat de Cooperparen niet langer als enkele Cooperparen gezien
kunnen worden, er is een grote Cooperparenketen ontstaan, elk elektron oefent via het
atoomrooster een zwakke kracht uit op andere elektronen.
Dit betekent dat elk Cooperpaar in dezelfde kwantumtoestand zit. Omdat elk Cooperpaar in
deze kwantumtoestand zit is het onmogelijk dat Cooperparen verstrooid worden. Immers
als een Cooperpaar wel zou worden verstrooid, dan zou het Cooperpaar daarmee in een
andere kwantumtoestand terecht komen en dat is nu juist wat onmogelijk is.
Ook kan er onmogelijk een elektrisch veld in de geleider bestaan, want het feit dat elk
Cooperpaar in dezelfde kwantumtoestand zit en dus een gelijk energie niveau heeft is de
reden dat er geen potentiaalverschil kan zijn. Het feit dat er geen potentiaalverschil is, is de
reden dat er ook geen elektrisch veld bestaat. Dit heeft als gevolg dat overige normale
elektronen geen stroom kunnen transporteren, dus het ladingstransport gaat via de
Cooperparen. Het materiaal is dus supergeleidend, omdat de Cooperparen geen elektrische
weerstand hebben en alle ladingtransport via de Cooperparen gaat. Dit betekent niet dat een
materiaal in supergeleidende toestand geen losse elektronen meer bevat, deze zijn nog steeds
aanwezig, maar kunnen geen lading transporteren, omdat er geen potentiaal verschil is.
Daarnaast is het energie niveau van een elektron uit een Cooperpaar lager dan het
energieniveau van een los elektron. Dit komt door de effectieve aantrekkende kracht die de
elektronen uit het Cooperpaar via het rooster op elkaar uitoefenen. Dit energie verschil heet
de energy gap, aangegeven met .
De energy gap is de hoeveelheid energie die nodig is om een Cooperpaar terug te laten gaan
in twee losse elektronen. De energie die hiervoor nodig is, is per elektron. Bij een
temperatuur van 0 kelvin oefenen alle elektronen invloed op elkaar uit via het atoomrooster.
Alle elektronen zitten in dezelfde kwantum toestand en er zijn geen losse elektronen meer
aanwezig. Door de stijging van de temperatuur, toevoeging van thermische energie, zullen
de Cooperparen opbreken en terugvallen in twee losse elektronen. Bij het bereiken van de
kritische temperatuur van de supergeleiding zijn alle Cooperparen opgebroken of als je daalt
naar de kritische temperatuur, dan worden er juist Cooperparen gevormd. Dit is ook te zien
in grafieken van metingen waarbij de weerstand wordt uitgezet tegen de temperatuur
(figuur 5). Rond een bepaalde temperatuur zakt de weerstand meteen naar nul, omdat op dit
punt Cooperparen gevormd worden.
Pagina | 12
Figuur 4 – Elektronen gebonden in Cooperparen vormen een gemeenschappelijke toestand en
kunnen daardoor niet verstrooid worden zonder het Cooperpaar te breken. Deze paren
ondervinden dus geen weerstand tijdens hun beweging. In figuur 4 wordt dit schematisch
voorgesteld. Elk paar elektronen aan weerszijden van de verticale as vormt een Cooperpaar. Het
zigzaglijntje stelt de energie voor die nodig is om een Cooperpaar uiteen te latten vallen in twee
losse elektronen. [17]
Figuur 5 – Metingen uit het onderzoek van R. Van Straten
(http://pws.rowis.nl/experimenten/experiment_3/)
Pagina | 13
1.3 Het Meissner effect
Naast de weerstandsloze geleiding heeft supergeleiding nog een effect, namelijk het
Meissner effect. Het Meissner effect is het verschijnsel waarbij er een magnetisch veld wordt
gecreëerd door een extern magnetisch veld. Een gevolg van dit effect dat bijvoorbeeld een
magneet kan zweven op een supergeleider. Dit effect treedt op als de supergeleider tot onder
de kritische temperatuur daalt en de supergeleider dus supergeleidend wordt.
Figuur 6 – Messner effect opstelling, een magneet zweeft boven een
supergeleider.
http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/superconductivity101/page7.html
Als er magnetische veldlijnen door een supergeleider lopen, dan worden er meerdere kleine
stroompjes opgewekt. Deze stroompjes heffen elkaar op zodat er alleen een kringstroom op
het oppervlak overblijft. Deze stroomkring noemen we de screening current. Omdat deze
stroom in rondjes kan blijven stromen, ontstaat er een even groot magnetisch veld in de
supergeleider. Er is immers geen weerstand. Dit magnetisch veld is volgens de wet van Lenz
tegengesteld aan het magnetisch veld van de externe magneet. De supergeleider en de
magneet stoten elkaar dus af. De grootte van het magnetisch veld van de supergeleider kan
beschreven worden in de volgende formule.
[7]
Aan de formule is te zien dat de sterkte van de supergeleider afhangt van de veldsterkte van
het externe magnetisch veld, maar dit is niet helemaal waar. Deze formule is gelimiteerd. Als
de externe magnetische bron te dichtbij komt en de kritische veldsterkte wordt overschreden
dan kan de screening current het externe magnetische veld niet langer compenseren,
waardoor de Cooperparen verbroken worden en zo stopt de supergeleider supergeleidend te
zijn. De maximale energie die de screening current kan leveren is te bepalen aan de hand van
de volgende formule:
Pagina | 14
[8]
Alle veldsterktes groter dan de maximale screening current zorgt ervoor dat de
supergeleider terug gaat naar de normale toestand.
Zolang de screening current sterk genoeg is om het externe magnetische veld te
compenseren, zal de supergeleider geen veldlijnen meer doorlaten, maar afbuigen. Hierdoor
ontstaat er een soort magnetische boog van de veldlijnen waar de supergeleider in blijft
zweven. Deze boog heeft als voordeel dat de supergeleider ook niet opzij kan en dus niet
buiten het bereik van de externe veldlijnen kan komen. De magnetische boog is vooral
voordelig in magneet treinen. Als de trein een bocht maakt en zich dus aan een
middelpuntzoekende kracht ondervindt, zal de trein toch in het magnetische veld van de
externe magneet blijven. In ieder geval zolang het extern magnetisch veld de
middelpuntzoekende kracht kan compenseren.
Dit voordeel laat vooral van zich spreken bij een supergeleidende trein, in de bochten waar
een middelpuntzoekende kracht wordt gecreëerd, zal de trein niet uit de bocht vliegen
zolang de veldlijnen deze middelpuntzoekende kracht kunnen compenseren.
Figuur 7 – Als de temperatuur van de supergeleider onder de kritische temperatuur komt dan zal
de supergeleider supergeleidend worden en de externe magnetische veldlijnen buiten sluiten. Er
vormt zich een magnetische boog om de supergeleider heen.
http://www.youtube.com/watch?v=GHtAwQXVsuk
Pagina | 15
Figuur 8 – Meerdere bogen achter elkaar vormt een tunnel. Uitermate voordelig bij een magneet
trein. http://www.youtube.com/watch?v=GHtAwQXVsuk
Het Meissner effect gaan we gebruiken bij onze proef, omdat het Meissner effect een visuele
verandering is. Zodra de supergeleiding overgaat in de supergeleidende of niet
supergeleidende fase zal dit visueel waarneembaar zijn. Zodra de magneet op de
supergeleider ligt is de supergeleider in de niet supergeleidende fase. Als we op dit moment
de temperatuur afmeten dan weten we de kritische temperatuur van de supergeleider.
Pagina | 16
2. Welke manieren zijn er om een supergeleider bij een
hogere temperatuur supergeleidend te maken?
Omdat we steeds meer energie gaan gebruiken is het zaak om ook energie te bezuinigen. Zo
kunnen we een heleboel energie besparen, door te voorkomen dat het verloren gaat aan
elektrische weerstand. Supergeleiding is een oplossing om energie te besparen, maar
daarvoor moet de kritische temperatuur van de supergeleiders omhoog. Hoe gaan we dit
doen?
Eerst behandelen we de oorzaak waarom de kritische temperatuur verschilt bij verschillende
supergeleiders, vervolgens kijken we naar externe factoren.
2.1 Type supergeleider
Ter opfrissing, we hebben gezien in het vorige hoofdstuk wat er gebeurt als men een
supergeleider in supergeleidende fase in een extern magnetisch veld plaatst (1.3). De
supergeleider creëert een tegengesteld intern magnetisch veld dat het extern magnetisch
veld opheft. Zolang dit intern magnetisch veld B groter is dan het externe magnetische veld
B0 (zie [8]) worden de veldlijnen van het extern magnetisch veld afgebogen en vertoont de
supergeleider het Meissner effect.
Nu kijken we wat er gebeurt als het extern magnetisch veld groter wordt. Als B0 > B dan
keert de supergeleider terug naar zijn normale niet supergeleidende staat. De manier waarop
hij terugkeert naar zijn niet supergeleidende staat is echter verschillend tussen de twee
typen.
De kritische temperatuur van een supergeleider verschilt per materiaal, toch zien we
overeenkomsten tussen verschillende materialen. Door deze overeenkomsten zijn de
materialen in te delen in twee categorieën, type 1 en type 2. Wat betreft de theorie, type 1
supergeleiders zijn prima te beschrijven met de BSC – theorie, maar de type 2 supergeleiders
vallen niet helemaal binnen de BSC – theorie. De type 2 supergeleiders zijn op dit moment
een discutabel punt binnen de natuurkunde.
Materiaal
Zink
Aluminium
Tin
Kwik
YBa2Cu3O7
Sn1.4In0.6Ba4Tm5Cu7O20+
Tc (K)
0.85
1.175
3.72
4.15
92
~175
Type
1
1
1
1
2
2
http://pws.rowis.nl/theorie/typen_supergeleiders/
Pagina | 17
Type 1:
Type 1 supergeleiders zijn vaak elementen, zoals zink en aluminium. Deze materialen
worden gekenmerkt door hun lage kritische temperatuur. Zo wordt zink pas supergeleidend
bij een temperatuur van 0,85 K en aluminium bij een temperatuur van 1,175 K. Over het
algemeen ligt de kritische temperatuur van een type 1 supergeleider tussen de 0 – 10 K. Niet
alleen de kritische temperatuur is laag zo ook de kritische veldsterkte. De kritische
veldsterkte van een type 1 supergeleider ligt rond de 0,2 T. Is de veldsterkte sterker dan de
kritische veldsterkte dan kan de type 1 supergeleider de externe magnetische veldlijnen niet
langer uitsluiten en zal de supergeleider de magnetische veldlijnen wel doorlaten. De
supergeleider is dan niet langer supergeleidend.
Type 2:
Type 2 supergeleiders zijn vaak legeringen, zoals Yttriumbariumkoperoxide (YBa2Cu3O7).
Type 2 supergeleiders hebben een veel hogere kritische temperatuur dan type 1
supergeleiders. De kritische temperatuur van Yttriumbariumkoperoxide is 92 K. Over het
algemeen ligt de kritische temperatuur van een type 2 supergeleider tussen de 20 – 175 K.
Ook de kritische veldsterkte is vele malen groter dan van een type 1 supergeleider. De
kritische veldsterkte ligt rond de 20 – 30 T.
Concluderend uit de kenmerken van type 1 en type 2 supergeleiders hebben type 2
supergeleiders meer toekomst, doordat ze minder gekoeld moeten worden voor het
supergeleidende effect optreed. Maar hoe komt het dat type 2 supergeleiders beter zijn dan
type 1 supergeleiders?
Het antwoord op deze vraag heeft te maken met de coherentielengte van de Cooperparen en
de karakteristieke penetratiediepte van de externe magnetische veldlijnen in de
supergeleider. De karakteristieke penetratie diepte is de lengte die de externe magnetische
veldlijnen kunnen doordringen in de supergeleider.
Het verschil tussen type 1 en type 2 supergeleiders is dat de karakteristieke penetratiediepte
van een type 1 supergeleider kleiner is dan de coherentielengte van de Cooperparen. De
karakteristieke penetratiediepte van een type 2 supergeleider is groter dan de
coherentielengte van de Cooperparen. Daarbij heeft een type 2 supergeleider twee kritische
veldsterktes.
Het gevolg van het feit dat de karakteristieke penetratiediepte van een type 1 supergeleider
kleiner is dan de coherentielengte, is dat een type 1 supergeleider geen externe magnetische
veldlijnen doorlaat, tot aan de kritische veldsterkte. De type 1 supergeleider is dan niet
langer sterk genoeg om de externe magnetische veldlijnen buiten te sluiten, dit stopt de
supergeleidende toestand. Type 2 supergeleider laat tot aan de eerste kritische veldsterkte
geen externe magnetische veldlijnen door. Tussen de twee kritische veldsterktes in neemt de
type 2 supergeleider geleidelijk de magnetische flux van de magnetische veldlijnen op. Deze
Pagina | 18
magnetische flux wordt binnen de type 2 supergeleider meegevoerd door vortices. Vortices
zijn een soort elektronische tornado’s.
Dit fenomeen wordt ook wel de vortex-toestand genoemd. De magnetische flux draait via de
vortices rond in de supergeleider waardoor de supergeleider niet volledig supergeleidend is,
maar op sommige stukjes niet en andere stukjes wel. Het meissner effect kan dan nog steeds
plaatsvinden, al wordt het in een vortex-toestand semi-meissner effect genoemd. Als de
tweede kritische veldsterkte wordt overschreden, dan heeft de supergeleider een zodanig
grote hoeveelheid magnetische flux opgenomen, dat de vortex-toestand niet langer
beschreven kan worden als vele kleine vortices die binnen de type 2 supergeleider rond
draaien. In plaats van vele kleine vortices, is er een grote vortice ontstaan die de type 2
supergeleider als het ware verstopt. Er is geen plek meer waar de type 2 supergeleider nog
supergeleidend is. Er kan geen semi-Meissner effect meer plaatsvinden.
Figuur 9 - De vortex-toestand binnen een type 2 supergeleider. Doordat de veldsterkte in het
tweede plaatje groter is dan in het eerste plaatje, is de straal van de cirkels in het tweede plaatje
kleiner. De zwarte stippen zijn de gebieden waarin de magnetische flux is opgenomen en de
cirkels daaromheen zijn de supergeleidende gebieden. Als er teveel flux is opgenomen zal de
supergeleider alleen nog bestaan uit stippen en amper cirkels. Op dit punt zal de supergeleider
terug keren naar de niet supergeleidende toestand. http://pws.rowis.nl/theorie/typen_supergeleiders/
Pagina | 19
Figuur 10 - Onder is de elektrische weerstand tegen het extern magnetisch veld uitgezet. Tot aan B0
is de supergeleider supergeleidend. Het punt B0 noemen we de grenswaarde.
Daarboven staat het diamagnetisch moment tegen het extern magnetisch veld uitgezet. Het
diamagnetisch moment is simpel gezegd een maatstaf voor de sterkte van het intern magnetisch
veld. Het diamagnetisch moment (intern magnetisch veld) is negatief omdat hij tegenovergesteld is
aan het extern magnetisch veld. [27]
Aan de linkerzijde van figuur 9 kunnen we zien dat het diamagnetisch moment sterker word
naarmate B0 groeit en de grenssituatie B0=B nadert. Het diamagnetisch moment word sterker
om het steeds sterker wordende extern magnetisch veld te kunnen opheffen. Eenmaal in de
situatie B0=B aangegeven met het B0 is er een plotselinge overgang en verdwijnt het
diamagnetisch moment in een keer. Op hetzelfde moment komt de weerstand weer terug en
keert de supergeleider weer terug naar zijn normale niet supergeleidende staat. Type 1 kent
dus 2 fases, supergeleidende fase en normale fase.
Aan de rechterzijde zien we dat bij de Type 2 supergeleider het diamagnetisch moment niet
in een keer verdwijnt maar meer vloeiend terugzakt naar nul. De supergeleider is pas weer
in zijn normale staat bij het punt B02. Vanaf dit punt keert de weerstand ook weer terug en is
de supergeleider weer terug in zijn normale niet supergeleidende staat. We zien dat de Type
2 supergeleider 3 fases kent, de supergeleidende fase, de gemixte fase en de normale fase.
De gemixte fase zorgt ervoor dat een Type 2 supergeleider langer supergeleidend is dan een
Type 1 supergeleider. In deze gemixte fase is er een gedeeltelijke penetratie van magnetische
flux. Om de magnetische energie te verlagen worden er bundeltjes flux opgenomen in de
supergeleider. In deze kleine gebiedjes keert de supergeleider terug naar de normale fase.
Echter zit er om deze kleine gebiedjes een circulerende vortex van screening current die het
magnetische veld in de supergeleider tegengaat. In Figuur 10 een plaatje om je een beeld te
geven van hoe dit werkt.
Pagina | 20
Figuur 11 - In de supergeleider zijn er dus kleine gebiedjes die flux doorlaten en teruggaan naar de
normale fase. Deze gebiedjes worden omringt door een vortex die ervoor zorgen dat de rest van de
supergeleider buiten de gebiedjes in de supergeleidende fase blijft. Gedurende de gemixte fase
blijft de supergeleider weerstandsloos, aangezien er nog steeds Cooperparen zijn en er dus een
weerstandsloze ladingoverdracht mogelijk is.
In recente papers worden onderzoeken beschreven die een derde type moeten aantonen,
namelijk het type 1.5 supergeleider. Dit is een nieuw type supergeleider dat niet beschreven
kan worden door zowel type 1 supergeleiders als door type 2 supergeleiders. Door het
uitwerken van de theoretische principes voor supergeleidende materialen is er voorspeld dat
supergeleidende elektronen kunnen worden ingedeeld in twee ‘strijdige' subpopulaties. De
ene gedraagt zich als elektronen in een type 1 supergeleider en de ander juist als elektronen
in een type 2 supergeleider.
Egor Babaev van de universiteit van Massachusetts beschrijft het nieuwe type als volgt: “Het
type 1.5 supergeleider vormt een soort super regelmatige Zwitserse kaas, met clusters van
dicht op elkaar gepakte vortex-druppels van twee typen elektronen: een type samen gehecht
en een tweede type dat stroomt aan het oppervlak van de vortex-clusters, vergelijkbaar met
de manier waarop elektronen stromen langs het oppervlak van type 1 supergeleiders. Deze
vortex-clusters zijn van elkaar gescheiden door ‘voids' (leegten) met geen vortices, geen
stromen en geen magnetisch veld.”
"Het belangrijkste bezwaar van sceptici", herinnert Babaev, "is dat er fundamenteel maar één
soort elektron bestaat, dus het is moeilijk te accepteren dat er twee soorten supergeleidende
elektronenpopulaties zouden kunnen bestaan met zulk drastisch verschillend gedrag."
2.2 Externe factoren
We weten nu het een en het ander van type
supergeleiders. Zoals we in figuur 12
Pagina | 21
kunnen zien, begon supergeleiding met type 1 supergeleiders.
Figuur 12 – Supergeleiders door de decennia heen.
http://hoffman.physics.harvard.edu/materials/SCintro.php
Tot aan het einde van de vorige eeuw kwam de kritische temperatuur van een supergeleider
niet boven de 40 K. Daarna werden de cupraten ontdekt. Cupraten zijn keramische
legeringen die koper en zuurstof atomen bevatten. Door deze ontdekking is de hoogste
kritische temperatuur van supergeleiding ooit gehaald gestegen tot 175 K. De kritische
temperatuur is dankzij cupraten met ongeveer 135 K gestegen. Het is nu de vraag over we
verder door kunnen gaan met cupraten, zijn er nieuwe legeringen die een nog hogere
kritische temperatuur hebben.
Wetenschappers kunnen op dit moment drie soorten onderzoek doen, namelijk onderzoek
naar een geheel nieuwe verbinding. Deze nieuwe verbinding valt niet binnen de cupraten,
maar behaald wel een hogere kritische temperatuur, dan voorheen ooit is behaald. Of
wetenschappers gaan verder met het onderzoek naar betere cupraten, die een hogere
kritische temperatuur kunnen halen, die op dit moment nog onmogelijk is te halen. Tot slot
kunnen wetenschappers onderzoek doen naar verschillende manieren om bestaande
supergeleiders te verbeteren. Zo hebben wetenschappers al ontdekt dat cupraten een hogere
kritische temperatuur kunnen bereiken nadat ze zijn blootgesteld aan zuurstof. Dit proces
duurt meerdere maanden en is daarom niet echt praktisch. Een andere ontdekking is dat een
supergeleider onder hoge druk een hogere kritische temperatuur bereikt. Een supergeleider
dient onder een druk van 14.000 atmosfeer te staan voordat er een verbeterd resultaat
gemeten wordt. [37]
Onlangs is er een echte doorbraak geweest binnen dit onderzoek. Japans onderzoek wees uit
dat supergeleiders die hadden geweekt in particulier verkrijgbare alcoholische dranken een
hogere kritische temperatuur hadden dan ze voorheen hadden. Zo hadden de Japanners
ijzer-telluur-zwavellegering supergeleiders laten weken in rode wijn, witte wijn, bier, sake
en whisky. Bij alle dranken werd er een verbeterd resultaat gemeten. Bij rode wijn was de
supergeleider het meest verbeterd.
Pagina | 22
Wij besloten om een herhalingsexperiment uit te voeren met een yttriumbariumkoperoxide
supergeleider om te controleren of de theorie van de Japanse onderzoekers echt waar is en
geen foute meting. De tweede stap in ons onderzoek was om een mogelijke theorie te
kunnen onderbouwen met onze resultaten en een bijbehorende stof te kunnen vinden.
2.3 Meetopstelling
De benodigdheden voor ons experiment:
10 liter vloeibaar stikstof
YBCO supergeleiders uit Tsjechië
Een thermokoppel met een bereik van 35 tot -200 Cº
Het bewerkingsprogramma Coach, hier is het thermokoppel op aangesloten
Piepschuimen bakje
Een kleine sterke aardmetalen magneet
Voor de proef hebben we een piepschuimen bakje uitgesneden van ongeveer 10 cm bij 20 cm.
In het midden van het bakje stak de thermokoppel door de onderkant van het bakje in het
bakje zelf. Zo konden wij de temperatuur meten van de supergeleider terwijl de magneet
boven de supergeleider zweefde. Zodra de magneet daalde en de supergeleider terug ging
naar de niet supergeleidende toestand lazen wij de temperatuur af op de computer die
verbonden was met de thermokoppel.
Figuur 13 - Een zijaanzicht van de schematische meetopstelling. Boven met de supergeleider en
onder zonder de supergeleider.
Pagina | 23
De piepschuimen opstelling hebben wij omwille van veiligheidsredenen in een grote
piepschuimen bak geplaatst om eventueel overtollig vloeibaar stikstof op te vangen.
Figuur 14 – De opstelling van ons experiment: links met supergeleider, rechts zonder
supergeleider.
2.4 De proefomschrijving
Allereerst wordt de supergeleider op het thermokoppel geplaatst en wordt er gekeken of
deze goed contact maakte met het thermokoppel. Vervolgens wordt het Coach
bewerkingsprogramma gecontroleerd en of deze werkt. Nu alles in gereedheid is gebracht
wordt vloeibaar stikstof in het bakje gegoten om zo de supergeleider te koelen. Na enkele
minuten zal de gehele supergeleider gekoeld zijn tot onder de kritische temperatuur. Op dit
moment kan de aard magneet boven de supergeleider gelegd worden, waar deze zal blijven
zweven. Met andere woorden de magneet veroorzaakt het Meissner effect waardoor de
magneet boven de supergeleider kan blijven zweven. Gedurende de proef kan op de
computer de temperatuur van de supergeleider worden afgelezen.
Doordat de omgevingstemperatuur veel hoger is dan de temperatuur van het vloeibare
stikstof verdampt het vloeibare stikstof. Uiteindelijk zal alle stikstof verdampt zijn en kan de
supergeleider zelf opwarmen. Zodra de temperatuur van de supergeleider begint te stijgen,
zal er worden waargenomen dat de magneet zal dalen. Uiteindelijk zal deze op de
supergeleider liggen. Op dit moment moet de temperatuur van de supergeleider worden
afgelezen, deze temperatuur is de kritische temperatuur van de supergeleider.
Pagina | 24
Hieronder een voorbeeld van hoe we de temperatuur hebben gemeten.
Figuur 15 – De meting van de temperatuur tijdens de supergeleiding proef. Het
punt waar de meting stopt, daar is de magneet plat op de supergeleider en is de
supergeleider niet meer supergeleidend. Wij zijn deze meting gestart nadat de
supergeleider in temperatuur begon te stijgen.
2.5 Werkopstelling Supergeleider in wijn
Een supergeleider heeft geweekt in rode wijn. De supergeleider heeft geweekt in een
glaswerk, zoals in figuur 17 is te zien, gedaan samen met 49,1 ml rode wijn. Deze hebben we
op 72 Cº precies 24 uur lang laten trekken in rode wijn, zoals ook in het experiment in Japan
was gedaan (K. Deguchi; Y. Mizuguchi; Y. Kawasaki; T. Ozaki; S. Tsuda; T. Yamaguchi; Y.
Takano, 2010). Het verwarmen gebeurde in een stoof zoals te zien is in figuur 16.
Figuur 16 – De stoof die werd gebruikt voor het
verwarmen van de wijn en supergeleider. De stoof
had ook een kleine ventilator voor het afzuigen van
eventueel verdampte alcohol.
De supergeleider zat samen met de wijn in een speciaal soort glaswerk zoals is te zien in
figuur 17 en figuur 18. De buisjes aan de bovenkant zorgde ervoor dat hij niet helemaal
afgesloten was zodat als er eventueel alcohol zou verdampen, wat normaal pas bij 78 Cº
gebeurt. Het was dus onmogelijk dat de supergeleider onder druk heeft geweekt.
Pagina | 25
Figuur 17 – Het glaswerk zonder
inhoud.
Figuur 18 – Het glaswerk met
supergeleider en wijn.
Na 24 uur te hebben geweekt in de rode wijn hebben wij de supergeleider eruit gehaald. Uit
waarnemingen konden wij concluderen dat de wijn de supergeleider lichtelijk aan aangetast.
We hebben de wijn ,gebruikt bij het weken, gefiltreerd en een monster van de wijn
rechtstreeks uit de fles naar de universiteit van Wageningen gestuurd om daar een
massaspectrometrische meting van beide monster te laten maken. In de week waarin
Wageningen had gezegd de metingen op te sturen hoorden wij dat ze het erg druk hebben
gehad en dat Wageningen de metingen niet meer ging maken.
Pagina | 26
Figuur 19 – De wijn na 24 uur. Goed is te zien
dat de wijn de supergeleider heeft aangetast.
De bruine kleur komt van de supergeleider.
Figuur 20 – De bruine stof afkomstig van de
supergeleider dat achterbleef.
Figuur 21 – De supergeleider na het trekken in de
wijn. Duidelijk is te zien dat de wijn de
supergeleider heeft aangetast.
Figuur 22 – De onderkant van supergeleider na het
trekken in de wijn.
Pagina | 27
2.6 Meetresultaten en waarnemingen
In totaal hebben is de proef 10 keer herhaald, 5 keer met de gewone supergeleider als
nulmeting en 5 met de supergeleider die in wijn heeft geweekt. Hieronder de meetresultaten.
Supergeleiding nulmeting
Meting
1
2
3
4
5
Gemiddelde:
Tc (ºC) ±0,5ºC
-183,9
-182,5
-183,2
-185,9
-179,7
Tc (K) ±0,5K
89,1
90,5
89,8
87,1
93,3
-183,0 ºC
90,0 K
3 ºC
Waarnemingen bij nulmeting
De supergeleider zweeft mooi
hoog, hij valt er alleen wel redelijk
snel af doordat de magneet
redelijk groot is vergeleken met
de supergeleider.
3K
Supergeleiding wijnmeting na 24 uur trekken in 49,1ml rode wijn op 72 ºC
Meting
1
2
3
4
5
Gemiddelde:
Tc (ºC) ±0,5ºC
-161,2
-146,4
-129,8
-128,3
-147,2
Tc (K) ±0,5K
111,7
126,6
143,2
144,7
125,8
-142,6 ºC
130,4 K
18 ºC
Waarnemingen bij nulmeting
De supergeleider zweeft minder
hoog dan bij de nulmeting,
maar hij lijkt hierdoor wel
stabieler te liggen.
18 K
Pagina | 28
3. Wat gebeurt er op moleculair niveau met de
supergeleider?
Dit vraagstuk is nog volledig onbekend. Er zijn meerdere theorieën die zouden moeten
verklaren waarom de supergeleider een hogere kritische temperatuur heeft na het weken in
rode wijn. Een theorie houdt in dat langdurige blootstelling aan zuurstof de oorzaak is van
de verhoging van de kritische temperatuur van de supergeleider. Een ander theorie is dat
nog niet bekende stoffen uit de wijn worden opgenomen in de supergeleider en een
verbeterende werking hebben op de supergeleider. We zullen een aantal theorieën
behandelen.
3.1 Zuurstofopname
Het is bekend dat langdurige blootstelling aan zuurstof de kritische temperatuur van de
supergeleider verhoogt. Dit lijkt een prima manier om de supergeleider te verbeteren, alleen
duurt dit proces een paar maanden. Nu ontdekken wij dat de supergeleider na vierentwintig
uur geweekt te hebben in rode wijn een hogere kritische temperatuur heeft. Dus de vraag is,
wordt de zuurstofopname bevorderd door een stof uit de wijn?
Allereerst kijken we naar de structuur van Yttriumbariumkoperoxide, omdat de structuur
van de supergeleider gerelateerd is aan zijn fysische eigenschappen.
Yttriumbariumkoperoxide behoort tot de Perovskite familie, een structuursoort. In deze
structuursoort bevinden de zuurstofatomen zich in het midden. De precieze
structuurformule van Yttriumbariumkoperoxide is YBa2Cu3O7−x, deze is echter geen ideale
Perovskite structuur. De ideale structuurformule heeft 9 zuurstof atomen, de structuur zou
er met 9 zuurstof atomen heel anders uit hebben gezien.
Figuur 23 – (a) Structuur van
hypothetische YBa2Cu3O9.
(b) Schets van YBa2Cu3O7−x,
verkregen van röntgenanalyse.
[17]
Waarom is de structuur van het yttriumbariumkoperoxide niet ideaal? Waarschijnlijk ligt dit
aan de hoge oxidatiegraad van koper. De ideale structuur zou ervoor zorgen dat er een
koperoxidatiegraad van 11:3 zou zijn. Dit betekend dat er Cu3+ en Cu4+ aanwezig zou moeten
zijn, zodat het koper atoom vier bindingen aan kan gaan, Cu4+ is echter zeldzaam. De
werkelijke structuur heeft dan ook een realistischere koperoxidatiegraad met een verhouding
van 7:3. In dit geval zijn er Cu2+ en Cu3+ aanwezig.
Pagina | 29
We kunnen concluderen dat het heel goed mogelijk is dat een stof uit de wijn de
zuurstofopname stimuleert en daardoor de ideale Perovskite structuur creëert. Door de
opname van zuurstof zal het Cu2+ en Cu3+ moeten reageren tot Cu3+ en Cu4+, omdat het
kristal elektrisch neutraal moet blijven.
3.2 Fractals
Een andere theorie waardoor de kritische temperatuur verhoogt tijdens het weken is
gebaseerd op fractals. Fractals zijn curieuze figuren met een structuur die zichzelf tot op
oneindig kleine schaal herhaalt. Dit wordt ook wel schaalinvariant genoemd. Fractals hebben
oneindig veel details en motieven die steeds worden herhaald. Italiaanse fysici [30] ontdekte
dat de kritische temperatuur van de supergeleider afhangt van zijn kwaliteit als fractal. Hoe
groter de schaal waarbinnen die fractale structuur zich herhaalt, hoe hoger de kritische
temperatuur.
De kwaliteit van de fractals schijnt gerelateerd te zijn aan de aanwezigheid van zuurstof
atomen. Zuurstof staat bekend als de schooier onder de elementen. De zuurstof atomen
dwalen door het materiaal en vormen overal bindingen, maar het blijkt dat deze bindingen
van zuurstof een fantastische ordening hebben. Er zit een geometrisch patroon in de
zuurstofverbindingen dat schaalinvariant is van een micrometer tot enkele millimeters.
Dus de supergeleider kan op verschillende manieren zijn veranderd. De supergeleider kan,
door een of meerdere stoffen uit de rode wijn, zuurstof hebben opgenomen die de kwaliteit
van de fractals heeft verbeterd. Of dit samenhangt met de ideale Perovskite structuur is
volledig onbekend. Of een of meerdere stoffen uit de rode wijn hebben de zuurstof
verbindingen opnieuw geordend, op eenzelfde manier waarop de zuurstof zou binden als
tijdens de maanden lange blootstelling aan zuurstof.
Een andere belangrijke vraag is wat de fractals te maken hebben met supergeleiding, want
de fractals hebben toch niets te maken met de elektronen, of toch wel?
De invloed van de schaalinvariantie ligt in de kwantum-kritikaliteit. Dat is de toestand die
de elektronen vormen vlak voordat de supergeleider supergeleidend wordt. Vele elektronen
nemen dan tegelijkertijd een ruimtelijke vorm aan die er op allerlei schalen hetzelfde uitziet.
Van microscopische schaal tot macroscopische schaal. Hoe de kwantum-kritikaliteit de
kritische temperatuur moet verhogen is onbekend. We tasten in het duister.
Een lichtpuntje is dat Amerikaanse wetenschappers [30] meldden dat het gedrag van de
elektronen in keramische materialen goed kan worden beschreven met formules uit de
snaartheorie, formules om zwarte gaten te beschrijven.
Zaanen (2010)[30]: “Het idee is dat materialen, als ze eenmaal in die kwantum-kritische fase
zitten, wel supergeleidend moeten worden. Net zoals het binnen een bepaalde range
onmogelijk is om aan een zwart gat te ontsnappen.
Dat zou kunnen betekenen dat als de zuurstof schaalinvariant is, de elektronen dat het liefst
ook worden. Maar vervolgens leidt dat ertoe dat ze, à la een zwart gat, gedwongen worden
richting supergeleiding te gaan.”
Pagina | 30
3.3 Magnetische ordening
De laatste theorie, die kan verklaren waarom de kritische temperatuur van de supergeleider
verhoogt tijdens het weken, heeft te maken met de ordening van de atomen in de
supergeleider, dit noemt men magnetische ordening.
De supergeleider zou bij de nulmeting te maken hebben gehad met magnetische ordening
door het externe magnetisch veld. Door het externe magnetische veld richten de atomen van
de supergeleider zich in een bepaalde vorm. Hierdoor verlaagd de kritische temperatuur van
de supergeleider. Dit zou ook de verstoring van de fractals kunnen zijn, die door het externe
magnetisch veld een mindere kwaliteit krijgen. Een of meerder stoffen uit de rode wijn
worden opgenomen in de structuur van de supergeleider en zouden de magnetische
ordening onderdrukken. Hierdoor zou de magnetische ordening niet lager de kritische
temperatuur verlagen. Dus als we de nulmeting vergelijken met de meting na het weken van
de supergeleider in rode wijn, dan zouden we dus kunnen spreken van een kritische
temperatuur verhoging.
Figuur 24 – Voorbeeld van drie verschillende
mogelijkheden voor magnetische ordening.
Magnetische ordening kan met pijlen die de
magnetische richting aangeven worden
omschreven.
Pagina | 31
4. Welke stof heeft invloed op de supergeleider?
We hebben nu een aantal theorieën besproken die mogelijk de reden zijn waarom de
supergeleider een hogere kritische temperatuur krijgt na het weken in rode wijn. Maar een
andere belangrijke vraag is: welke stof is hierbij belangrijk?
4.1 Zuurstof opname
Deze theorie voorspelde dat de supergeleider zuurstof atomen uit de rode wijn opneemt en
hierdoor de ideale Perovskite structuur krijgt, wat de kritische temperatuur verhoogt. De
verwachte stof die hiervoor verantwoordelijk kan worden gehouden is niet bekend, wel zijn
er twee mogelijkheden, namelijk de alcohol en de andere mogelijke stof zijn de suikers. Maar
een combinatie van deze stoffen is ook niet uitgesloten.
Als vervolgonderzoek kan onze proef herhaald worden met gedestilleerde wijn, waarin geen
alcohol meer zit. Als het resultaat hetzelfde uitpakt als bij onze proef, is er de alcohol
ontkracht en kan er specifieker onderzoek naar suikers worden verricht om te bewijzen dat
de suikers de zuurstof opname van de supergeleider bevorderen, zodat de supergeleider de
Perovskite structuur krijgt en zo de kritische temperatuur wordt verhoogd. Nogmaals het is
nog niet zeker of de vorming van de ideale Perovskite structuur de oorzaak is van de
verhoogde kritische temperatuur.
We hebben zelf wel geprobeerd om een supergeleider te weken in alcoholvrije rode wijn,
maar dit is mislukt. Doordat de supergeleider tijdens de nulmetingen was gebroken, was
deze tijdens het weken in alcoholvrije rode wijn te veel aangetast. We konden met deze
supergeleider geen metingen meer doen, omdat de magneet te groot was voor een deel van
de supergeleider. Ook dit wijnmonster hebben we naar Wageningen gestuurd. Dus als we de
metingen nog krijgen kunnen we misschien toch een conclusie trekken uit de alcoholvrije
rode wijn supergeleider.
4.2 Fractals
De fractals theorie stelt dat de kwaliteit van het geometrische patroon van de
zuurstofbindingen samenhangt met de kritische temperatuur van de supergeleider. Hoe
hoger de kwaliteit van de fractals, hoe hoger de kritische temperatuur van de supergeleider.
Het geometrische patroon van de zuurstofbindingen kan op twee manieren verbeterd
worden. De eerste is dat er zuurstofatomen worden opgenomen, die de kwaliteit van de
fractals verbeteren, of dit samenhangt met de Perovskite structuur is onbekend. De tweede
manier is dat stoffen uit de rode wijn de zuurstofbindingen herordenen, op eenzelfde manier
hoe de verbindingen worden geordend tijdens de maanden lange blootstelling aan zuurstof.
De stof die hiervoor verantwoordelijk zou zijn, kan net als bij de eerste theorie de alcohol, de
suikers of een combinatie van beide stoffen zijn. Ook om deze theorie verder uit te werken
moet eerst worden onderzocht of de alcohol enig invloed heeft op de verhoging van de
kritische temperatuur. Daarna moet er onderzocht worden of de structuur van de
Pagina | 32
supergeleider is veranderd in de ideale Perovskite structuur en er moet onderzoek gedaan
worden naar de eventuele kwaliteit verbetering van de fractals. Uit dit onderzoek wordt er
misschien iets duidelijk over deze theorieën.
4.3 Magnetische ordening
Magnetische ordening stelt dat de atomen in de supergeleider zich richten in een bepaald
patroon, met als gevolg een verlaging van de kritische temperatuur van de supergeleider.
Het is niet bekend of de magnetische ordening invloed heeft op de kwaliteit van de fractals,
die door het magnetische veld verslechteren. Stoffen die de magnetische ordening
onderdrukken zijn ofwel elementen afkomstig uit de alcohol of elektrisch geladen deeltjes
die opgenomen worden door de supergeleider en het externe magnetische veld
onderdrukken.
Pagina | 33
Conclusie
Wij begonnen dit PWS met de hoofdvraag “Wat is de invloed van drank op supergeleiding?”. De
hoofdvraag splitsten wij in vier deelvragen:
1. “Wat is supergeleiding?”
2. “Welke manieren zijn er om een supergeleider bij een hogere temperatuur supergeleidend te
maken?”
3. “Wat gebeurt er op moleculair niveau met de supergeleider?”
4. “Welke stof heeft deze invloed op de supergeleider?”
1. “Wat is supergeleiding?”
Supergeleiding is de weerstandloze vorm van geleiding. Voordat we ingaan op
supergeleiding gaan we eerst normale geleiding behandelen.
Een elektrische stroom is het verschil tussen hoeveel elektronen van de ene pool naar de
andere pool stromen en andersom.
De snelheid waarmee de elektronen stromen noemt men de driftsnelheid. Als de
driftsnelheid nul is loopt er geen stroom. De driftsnelheid ontstaat door een elektrisch veld,
hierdoor ondervinden de elektronen een coulombkracht. Het elektrisch veld ontstaat door
een potentiaal verschil tussen beide kanten van de geleider.
De elektronen versnellen door het elektrisch veld, deze versnelling is gelimiteerd. Dat komt
doordat de elektronen verstrooid worden, ze botsen met atomen uit het rooster. Dit noemt
men de gemiddelde botsingtijd van een elektron. Zo neemt de driftsnelheid toe door het
elektrisch veld en af door de gemiddelde botsingtijd. De driftsnelheid stelt zich in als
evenwicht. Doordat elektronen botsen met de atomen wordt de geleider warmer.
Bij supergeleiding verdwijnt de elektrische weerstand als de supergeleider kouder is dan z’n
eigen kritische temperatuur TC. Doordat de atomen minder hard trillen zorgt een
voorbijkomend elektron tijdelijk voor een lokale concentratie positieve lading, doordat de
atomen rond het elektron allemaal richting het elektron worden getrokken. Omdat een
elektron veel sneller is dan een atoom, vindt het maximale effect pas plaats als het elektron al
een eind weg is. Met als gevolg dat een tweede elektron zal worden aangetrokken door deze
concentratie positieve lading. De elektronen oefenen op deze manier via het rooster een
zwakke aantrekkende kracht op elkaar uit, men noemt dit een Cooperpaar. De
coherentielengte van een Cooperpaar bedraagt ongeveer 100 nm. Het gevolg van deze grote
afstand is dat er 106 andere elektronen uit andere Cooperparen tussen de twee elektronen uit
het desbetreffende paar kunnen bevinden. Hierdoor vormt zich een macroscopische
kwantumtoestand, waarin alle elektronen een zwakke kracht op elkaar uitoefenen via het
rooster. Elektronen kunnen nu niet meer verstrooid worden, want dat zou betekenen dat ze
in een andere kwantumtoestand komen. En dat is juist wat niet mogelijk is. Binnen deze
Pagina | 34
kwantumtoestand wordt alle lading via de Cooperparen getransporteerd. Omdat
Cooperparen geen weerstand kunnen hebben is het materiaal supergeleidend.
2. “Welke manieren zijn er om een supergeleider bij een hogere temperatuur supergeleidend te
maken?”
Eerst behandelen we de oorzaak waarom de kritische temperatuur verschilt bij verschillende
supergeleiders, vervolgens kijken we naar de externe factoren.
De manier waarop supergeleiders terugkeren van supergeleidende toestand naar geleidende
toestand verschilt. Supergeleiders zijn in te delen in twee groepen, type 1 supergeleiders en
type 2 supergeleiders.
Type 1:
 Element
 Kritische temperatuur tussen 0 -10 K
 Kritische veldsterkte rond de 0,2 T
 Karakteristiek penetratiediepte is kleiner dan de coherentielengte
Type 2:





Legering
Kritische temperatuur tussen 20 -175 K
Kritische veldsterkte tussen 20 – 30 T
Karakteristieke penetratiediepte is grote dan de coherentielengte
Twee kritische veldsterktes
Bij type 1 supergeleiders keert de supergeleider terug naar niet supergeleidende toestand
zodra de kritische veldsterkte wordt overschreden. Bij type 2 supergeleiders gaat de
supergeleider na het overschrijden van de eerste kritische veldsterkte over op de vortextoestand. Hierin laat de supergeleider plaatselijk flux door in kleine gebiedjes die ieder door
een elektronische tornado wordt omringt. Binnen de tornado is hij niet meer supergeleidend
en buiten de tornado’s is hij nog wel supergeleidend. Nadat de magnetische veldsterkte
groter is dan de tweede kritische veldsterkte laat de supergeleider de externe magnetische
veldlijnen door en is weer in niet supergeleidende toestand.
De kritische temperatuur van een supergeleider kan verhoogd worden door de
supergeleider 24 uur lang op 70° Celsius te laten weken in een alcoholische drank, zoals rode
wijn. Japans onderzoek heeft dit uitgewezen en wij gaan dit experiment herhalen om te
onderzoek of dit echt zo is en wat de theorie achter dit fenomeen is.
3. “Wat gebeurt er op moleculair niveau met de supergeleider?”
Het is nog volledig onbekend wat precies de reden is dat de kritische temperatuur van een
supergeleider hoger wordt na het weken in rode wijn.
Pagina | 35
De eerste theorie is dat een stof uit de wijn de zuurstof opname van de supergeleider
bevordert, hierdoor krijgt de supergeleider de perfecte Perovskite structuur die zorgt dat de
kritische temperatuur van de supergeleider hoger wordt.
De tweede theorie is dat een stof uit de wijn zorgt dat de fractals in de supergeleider een
hogere kwaliteit krijgen, wat volgens Italiaans onderzoek samenhangt met de kritische
temperatuur van de supergeleider.
De derde theorie houdt in dat magnetische ordening de kritische temperatuur verlaagt. De
magnetische ordening moet door een stof uit de wijn onderdrukt worden, waardoor de
kritische temperatuur stijgt.
4. “Welke stof heeft deze invloed op de supergeleider?”
Wij verwachten dat een paar stoffen wel eens verantwoordelijk kunnen zijn voor de
verhoogde kritische temperatuur van de supergeleider.
Bij de zuurstof opname theorie verwachten wij dat de alcohol, de suikers of een combinatie
van die twee verantwoordelijk is voor de verhoogde kritische temperatuur.
Bij de fractals theorie denken wij dat dezelfde stoffen als bij de eerste theorie
verantwoordelijk zijn voor de verhoogde kritische temperatuur, omdat bij deze theorie de
supergeleider ook door zuurstofopname wordt verbeterd.
Bij de magnetische ordening theorie verwachten wij dat elementen uit de alcohol of
elektrisch geladen deeltjes het magnetische effect onderdrukken.
Conclusie:
Uit onze proef blijkt dat rode wijn de kritische temperatuur van de supergeleider verhoogt.
Drie mogelijke theorieën kunnen verklaren waarom de kritische temperatuur van de
supergeleider hoger is nadat de supergeleider heeft geweekt in de rode wijn, maar er is nog
geen zekerheid. Ook de stof die verantwoordelijk is voor de verhoogde kritische
temperatuur van de supergeleider is nog onbekend. We hebben een paar stoffen aangegeven
die mogelijk verantwoordelijk zijn. Verder onderzoek moet gaan uitwijzen welke theorie en
stof de reden zijn dat de kritische temperatuur van een supergeleider stijgt nadat je de
supergeleider laat weken in rode wijn of andere alcoholische drank. Zo kan het experiment,
wat wij hebben gedaan, herhaald worden met alcoholvrije rode wijn, om te onderzoeken wat
de relevantie van alcohol is tijdens het weken van de supergeleider. Deze proef is bij ons niet
gelukt. Verder kan de structuur van een geweekte supergeleider worden onderzocht via
röntgenanalyse.
Pagina | 36
Voordat supergeleiding maatschappelijk toepasbaar is moet supergeleiding op
kamertemperatuur mogelijk zijn, daarom is het zaak dat er onderzoek gedaan wordt naar de
kritische temperatuur. Zoals de kritische temperatuur zich nu ontwikkeld door de jaren heen
gaat dit nog wel even duren. Als de ontwikkeling in hetzelfde tempo doorgaat als voorheen
zal supergeleiding in het jaar 2228 mogelijk zijn.
Pagina | 37
Discussie & reflectie
Ons oorspronkelijke onderzoek ging over de invloed van wijn op een ijzer-telluurzwavellegering supergeleider. We waren van plan om deze zelf te maken. Nadat we een
recept hadden gevonden om deze supergeleider te maken en erachter waren gekomen dat
we dit onmogelijk op school konden doen, door het vereiste gebruik van machines die wij
niet op school ter beschikking hebben, hebben we contact opgenomen met TU Delft. Via de
telefoon vertelde de begeleider dat hij iemand wist die ons kon helpen, maar na de
kerstvakantie ging de hele proef niet meer door, want TU Delft hielp liever niet mee aan
PWS proeven, omdat ze de vraag naar hulp bij proeven niet aankunnen. We hebben toen ons
onderzoek moeten aanpassen. De supergeleider die wij oorspronkelijk wilden gebruiken
werd vervangen door een keramische supergeleider die wij via het internet hebben besteld.
Uit onze metingen kwamen verbazingwekkende resultaten, de in wijn geweekte
supergeleider bleef tot een veel hogere temperatuur supergeleidend. We hebben vijf
nulmetingen en vijf metingen met de geweekte supergeleider gedaan. Uit alle resultaten
kwam het antwoord dat de supergeleider verbeterd is. We hebben ons verdiept in de
theorieën die zouden moeten verklaren hoe dit mogelijk is en hebben ontdekt, in
tegenstelling met hoe we aan het begin van het PWS dachten, dat het niets te maken heeft
met de afstand tussen de atomen.
In de meetresultaten is te zien dat de in wijn geweekte supergeleider wisselvallige resultaten
gaf. Deze verschillen tussen de onderlinge proeven zijn mogelijk veroorzaakt doordat de
supergeleider op een andere plek met de thermokoppel in contact stond. We hebben
daarnaast visueel moeten bevestigen wanneer de supergeleider helemaal lag, omdat wij niet
de juiste benodigdheden hadden om de weerstand te meten van de supergeleider tijdens de
proef. Desondanks beschouwen we onze proeven als betrouwbaar. De consequente
resultaten bij de nulmeting gaf wel aan dat we redelijk exact konden meten met deze
meetopstelling.
Daarnaast is een afwijking van een paar graden niet relevant voor ons onderzoek. Ons doel
was om aan te tonen dat het weken van een supergeleider in wijn invloed heeft op de
kritische temperatuur van een supergeleider.
Wij hebben hard gewerkt aan dit PWS. Niet alleen is de stof erg ingewikkeld ook
organisatorisch was het niet makkelijk om alles voor elkaar te krijgen. De juiste
benodigdheden verkrijgen en een betrouwbare meetopstelling bedenken waren een grote
uitdaging. Dit is dan ook een van de punten die wij een volgende keer beter zouden doen.
Heel vroeg zelf de benodigdheden regelen en dit niet door een andere universiteit laten
regelen die meestal wat minder nauw nemen met de tijd. Desondanks hebben we alle
benodigdheden toch weten te verkrijgen en hebben een betrouwbaar onderzoek kunnen
uitvoeren.
Wij zijn dan ook erg trots dat alles is gelukt. We hebben onszelf verdiept in supergeleiding
en we denken dat we al aardig gespecialiseerd zijn in dit onderwerp.
Pagina | 38
Vervolg onderzoeken zijn vereist om erachter te komen welke manier en stof
verantwoordelijk is voor het verhogen van de kritische temperatuur van de supergeleider.
Pagina | 39
Samenvatting Nederlands
Ons profielwerkstuk richt zich op supergeleiding en vooral, hoe kan de kritische
temperatuur van een supergeleider worden verhoogt. Wij hebben naar aanleiding van een
experiment in Japan gekeken wat de invloed van drank is op de supergeleider met
samenstelling YBCO.
Tot onze verbazing heeft het weken van een supergeleider in rode wijn een positief effect
gehad op de kritische temperatuur, Tc. Waar eerst de gemiddelde Tc 90 Kelvin was, steeg dit
na 24 uur lang weken in rode wijn op 70° Celsius naar een gemiddelde Tc van 130 Kelvin.
Zichtbaar was dat de in wijn geweekte supergeleider minder krachtig was, de magneet
zweefde minder hoog tijdens het Meissner effect, desondanks was de kritische temperatuur
aanzienlijk hoger.
De reden voor de verhoogde kritische temperatuur is onbekend, wel hebben we
verschillende theorieën die het verschijnsel kunnen verklaren.
Zo verwachten wij dat alcohol, suikers of een combinatie van deze twee de zuurstofopname
van de supergeleider versnellen wat een positieve invloed heeft op de kritische temperatuur.
Tweede mogelijkheid is dat een van hierboven genoemde stoffen de kwaliteit van de
supergeleider als fractal verbetert. Bewezen is dat de kwaliteit als fractal samenhangt met de
kritische temperatuur.
Een andere mogelijkheid is dat elementen uit de alcohol of elektrisch geladen deeltjes de
magnetische ordening in de supergeleider, ten gevolge het extern magnetisch veld,
onderdrukt. Ook een hogere kritische temperatuur tot gevolg.
Verder onderzoek moet bewijzen welke theorie deze verhoging in de kritische temperatuur
veroorzaakt.
Pagina | 40
Samenvatting Engels
Our final study project focuses on superconductivity and foremost, how to increase the
critical temperature of a superconductor. In response of an experiment done in Japan we
have studied the influence of alcoholic beverages on the critical temperature of
superconductors with the composition YBCO.
To our astonishment had soaking the superconductor in red wine a positive effect on the
critical temperature, Tc. Where the average critical temperature first was 90,0 Kelvin, it
increased after soaking the superconductor for 24 hours in red wine on 70° Celsius to an
average critical temperature of 130,4 Kelvin. Visible was that the effect of the wine on the
superconductor wasn´t only positive, the superconductor was less powerful and the magnet
flew less high during the Meissner effect. Nonetheless had the critical temperature increased
significantly.
What was causing this increase in the critical temperature is unknown, but there are various
possibilities which can explain this phenomenon.
We expect that the alcohol, sugars or a combination of these two accelerate the oxygen intake
of the superconductor, what has a positive effect on the critical temperature.
The second possibility is that one of the materials listed above increase the quality of the
superconductor as a fractal. Proven is the cohesion between the quality of a superconductor
as fractal, and the critical temperature.
Another possibility is that elements from the alcohol or electrical charged particles suppress
the magnetization of the superconductor, which occurs as a result of the external magnetic
field. Also leading to a higher critical temperature.
Further research should give a clear answer to the reason for this increase in critical
temperature.
Pagina | 41
Literatuurlijst
1. Wikipedia.org (2011). Magnetic field. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field
2. Wikipedia.org (2011). Superconductivity. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductor
3. Wikipedia.org (2011). List of superconductors. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors
4. Wikipedia.org (2011). High-temperature superconductivity. Geraadpleegd op 4
oktober, 2011 van http://en.wikipedia.org/wiki/Hightemperature_superconductivity
5. Wikipedia.org (2011). Cooper pair. Geraadpleegd op 4 oktober van
http://en.wikipedia.org/wiki/Cooper_pair
6. Wikipedia.org (2011). Flux pumping. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/Flux_pumping
7. Wikipedia.org (2011). Tesla (unit). Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_(unit)
8. Wikipedia.org (2011). Magnetic moment. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_moment
9. Wikipedia.org (2011). Magnetic flux. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_flux
10. Aalderink, B. Supergeleiding, hoe werkt dat? Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=199779
11. Borgdorff, A. Nobelprijs 2003 Natuurkunde. Supergeleiding.. Geraadpleegd op 4
oktober, 2011 van http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=208806
12. Wikipedia.org. Vector field. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://en.wikipedia.org/wiki/Vector_field
13. Visionair.nl. Energieopslag in een supergeleider. Geraadpleegd op 4 oktober, 2011 van
http://www.visionair.nl/ideeen/wereld/energieopslag-in-een-supergeleider/
14. Dijkgraaf, A. [Supergeleiding zat]. Geraadpleegd op 6 oktober, 2011 van
http://www.c2w.nl/supergeleiding-zat.123924.lynkx
15. Visionair.nl. ‘Supergeleiding op bijna kamertemperatuur bereikt’. Geraadpleegd op 7
oktober, 2011 van http://www.visionair.nl/wetenschap/supergeleiding-op-bijnakamertemperatuur-bereikt/
Pagina | 42
16. Ter Brake, M. ‘Geef supergeleiding prominente rol in duurzame energie’.
Geraadpleegd op 7 oktober, 2011 van http://www.utwente.nl/nieuws/oratie-marcelter-brake
17. Scholieren lab, ‘Inhoud van de workshop’. Geraadpleegd op 7 oktober, 2011 van
http://scholierenlab-test.tudelft.nl/wp-content/uploads/2011/10/SupergeleidingWorkshop.pdf
18. De Kuyper, P. ‘Prijs van supergeleiding is de koeling’. Geraadpleegd op 7 oktober,
2011 van http://www.utnieuws.nl/achtergrond/%E2%80%98prijs-vansupergeleiding-de-koeling%E2%80%99
19. Jekel, D. Koud de laagste weerstand. Geraadpleegd op 25 oktober, 2011 van
http://www.wetenschap24.nl/nieuws/artikelen/2011/april/Koud-de-laagsteweerstand.html
20. Jekel, D. Wetenschap met rode wijn. Geraadpleegd op 25 oktober, 2011 van
http://www.wetenschap24.nl/nieuws/artikelen/2011/januari/Wetenschap-metrode-wijn.html
21. Wikipedia.org(2011). Iron-based superconductor. Geraadpleegd op 25 oktober, 2011
van
http://translate.google.nl/translate?hl=nl&sl=en&tl=nl&u=http%3A%2F%2Fen.wiki
pedia.org%2Fwiki%2FIron-based_superconductor&anno=2
22. Arxiv.org(2011). Moisture-induced superconductivity in FeTe0.8S0.2. Geraadpleegd
op 16 december, 2011
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0912/0912.2240.pdf
23. Arxiv.org(2011). Alcoholic beverages induce superconductivity in FeTe1-xS.
Geraadpleegd op 21 december, 2011.
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1008/1008.0666.pdf
(dit is het oorspronkelijke artikel/verslag van de het experiment)
24. engineersonline.nl (2012). Natuurkundige beschrijven een nieuw soort supergeleiding.
Geraadpleegd op 20 februari van http://www.engineersonline.nl/nieuws/id18825natuurkundigen-beschrijven-nieuw-soort-supergeleiding.html
25. wikipedia.org (2012). Type-1.5 superconductor. Geraadpleegd op 20 februari van
http://en.wikipedia.org/wiki/Type-1.5_superconductor
26. doitpoms.ac.uk (2012). Superconductivity. Geraadpleegd op 3 maart van
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/superconductivity/index.php
27. marts100.com (2012). Superconductivity. Geraadpleegd op 2 maart van
http://www.marts100.com/supercon_top.htm
28. Nave, R. Cooper pairs. Geraadpleegd op 2 maart van http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/solids/coop.html
Pagina | 43
29. Wikipedia.org (2011). Perovskite (structure). Geraadpleegd op 5 maart van
http://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite_(structure)
30. Engels, J. Het nut van fractale viezigheid. Geraadpleegd op 5 maart van
http://www.wetenschap24.nl/nieuws/artikelen/2010/augustus/Het-nut-vanfractale-viezigheid.html
31. Wikipedia.org. Fractal. Geraadpleegd op 5 maart van
http://en.wikipedia.org/wiki/Fractal
32. Physorg.com. Japanse scientists use alcoholicdrinks to induce superconductivity.
Geraadpleegd op 5 maart van http://www.physorg.com/news/2011-03-japanesescientists-alcoholic-superconductivity.html
33. Studeersnel.nl. Tentamen Vaste Stof Fysica TN2843. Geraadpleegd op 7 maart van
http://www.studeersnel.nl/download_file.php?download=YTozOntzOjI6ImlkIjtzOj
Q6IjgyNTQiO3M6OToidGltZXN0YW1wIjtzOjEwOiIxMzA2ODc2NjIxIjtzOjQ6Im5hY
W0iO3M6MTA6IjIwMDQwMS5wZGYiO30=
34. Studeersnel.nl. Antwoorden tentamen Vaste Stof Fysica TN2843. Geraadpleegd op 7
maart van
http://www.studeersnel.nl/download_file.php/200401_antw.pdf?download=YToyO
ntzOjI6ImlkIjtzOjQ6IjgyNTUiO3M6NDoibmFhbSI7czoxNToiMjAwNDAxX2FudHcuc
GRmIjt9
35. Wikipedia.nl. Elektroforese. Geraadpleegd op 7 maart van
http://nl.wikipedia.org/wiki/Elektroforese
36. AudioFreaks.nl. De natuurkundige aspecten. Geraadpleegd op 8 maart van
http://forum.audiofreaks.nl/index.php?topic=14205.330
37. Visser de, A. Hoge druk versterkt supergeleiding in ferromagneet. Geraadpleegd op 7
oktober van http://www.fom.nl/live/nieuws/artikel.pag?objectnumber=100226
Pagina | 44
Bijlagen
Bijlage 1: Het supergeleiding experiment
Supergeleiding is theoretisch gezien ontzettend interessant, maar het fenomeen
supergeleiding is ook ontzettend interessant om mee te experimenteren. We hebben
verschillende keren experimenten gedaan, bij de workshop supergeleiding op de TU Delft en
op school in het scheikunde lab.
TU Delft
We hebben hier een workshop bijgewoond waarbij we kennis konden maken met
Supergeleiding en het Meissner effect met eigen ogen konden zien. De opstelling was
redelijk simpel en er kwam dan ook geen meten aan te pas. Dit was puur om het te
demonstreren, en niet bedoeld voor metingen.
De meetopstelling bestond uit een piepschuimen bakje met hierin gelegd de supergeleider.
Het vloeibare stikstof werd zonder enige bescherming voor de ogen of handen in het bakje
gegoten, waarna de magneet op de supergeleider werd gelegd.
Figuur 25 – Boven, een kleine magneet zwevend
boven een YBCO supergeleider.
Figuur 26 – Rechts, Een grote magneet zwevend boven
een sterkere supergeleider.
Pagina | 45
Bijlage 2: Werkopstelling Destilleren wijn
Aanvankelijk wilden we nog een experiment doen om te onderzoeken wat de invloed van
alcohol in de wijn is op de supergeleider. Hiervoor hebben we de wijn gedestilleerd en de
supergeleider in de alcoholvrije wijn laten weken, figuur 27, een foto van de opstelling.
Helaas was deze proef mislukt, doordat de supergeleider te veel was aangetast. Dit kwam
doordat de supergeleider bij een eerdere proef was gebroken, waardoor de supergeleider
zodanig was aangetast dat we alleen een stukje supergeleider konden gebruiken. Dit stukje
was niet sterk genoeg om de magneet te laten zweven en dus konden we geen metingen
doen.
Figuur 27 – De werkopstelling voor het destilleren van de wijn.
Pagina | 46
Bijlage 3: Zelf maken van een supergeleider
In het begin van ons onderzoek waren we van plan om zelf een ijzer-telluur-zwavellegering
supergeleider te maken, helaas bleek niet mogelijk. Desondanks voegen we het vertaalde
recept toe in deze bijlage
Maken van de supergeleider FeTe
1-x
S:
x
Benodigheden:
- Een oven
- Te
- TeS
- Fe
- Granulator (pneumatische pers die kleine bolletjes kan maken)
- Wat in het Engels een ‘evacuate quartz tube’ wordt genoemd.
Recept:
Stop de poeders van Fe, Te en TeS in een evacuate quartz tube met de poeders in de
verhouding: FeTe0.8S0.2 en verwarm deze vervolgens 10 uur op 600°C.
Na het afkoelen van de oven de poeders samenpersen tot een ronde vorm. Gebruik hiervoor
de Granulator. Hierna weer terug in de evacuate quartz tube en weer 10 uur verwarmen op
600°C.
Maken van de supergeleider YBCO:
Dit is de supergeleider die wij hebben gebruikt, alleen hebben wij hem gekocht en niet zelf
gemaakt.
Benodigheden:
 1,13 gram Yttriumoxide
 3,95 gram Bariumcarbonaat
 2,39 gram Koperdioxide
 Mortier (vermaler voor malen van stoffen)
 Malletje voor blokje/pilletje
 Technische oven (Benodigde max temp 950 celsius, keramische oven misschien ook
goed?)
 Veiligheidsvoorschriften
 Zuurstoffles
 Zuurstof regelaar
 Aceton
Pagina | 47
Weeg de grondstoffen afzonderlijk en nauwkeurig af en stop deze in een apart mengkom.
Zodra ze daar inzitten voegen we ze alle drie bij elkaar in een andere mengkom, in
proporties. Vervolgens moeten de drie stoffen worden fijn gemalen tot heel fijn poeder.
Dit poeder moet in een malletje met een beetje aceton om het bij elkaar te houden, en
vervolgens moet dit worden geperst in een pers met 10 ton kracht per c/m2.
Hierna gaat het blokje de oven in.
Doe het blokje in de oven en zet de oven vervolgens aan. Laat de oven opwarmen tot 950 ºC
met stappen van 75 ºC, in 13 uur tijd.
Hierna aansluitend de supergeleider 18 uur op 950 ºC laten bakken.
Nu gaan moet de oven geleidelijk weer worden teruggebracht naar 0 ºC.
Dit opnieuw met stapjes van 75 ºC.
Zodra de dalende temperatuur bij de 750 ºC is, is het belangrijk dat het tot de 500 ºC
langzamer gaat, dit is zeer van belang voor het optimaliseren van de supergeleider.
De stappen die tussen de 750 ºC en 500 ºC per 50 ºC.
Zodra bij de 400 ºC aangekomen is het belangrijk dat er zuurstof toegevoegd wordt.
Voeg 1,1 atmosfeer in de oven toe om er voor te zorgen dat de supergeleider beter
afkoelt. De totale afkoel tijd is ongeveer 16 uur, maar ligt ook aan de soort oven.
Pagina | 48
Bijlage 4: Afleiding van de botsingtijd
[9]
Vd = de driftsnelheid van de elektronen in
 = botsingstijd van de elektronen in seconde
=
m = massa van een elektron (9,1 .
)
 = elektroforese mobiliteit in
voorbeeld opgave:
De elektroforese mobiliteit van koper is 0,0032
Door de volgende formule in te vullen kunnen we botsingstijd berekenen.
, weg delen
,q en
naar rechts halen
, waarden invullen
=
seconde
Pagina | 49
Logboek Tjalling
Datum
5 oktober 2011
Hoe lang
2 uur
6 oktober 2011
1 uur
7 oktober 2011
1 uur
25 oktober
2011
2 uur
9 november
2011
1 uur
17 november
2011
5 uur
17 november
2011
2 uur
19/20
november
2011
21 december
2011
2 uur
7 december
14 december
17 december
0,5 uur
0,5 uur
4 uur
2 jan – 8 jan.
9 januari
6 uur
5 uur
10 januari
2 uur
3 uur
Wat gedaan
-Verdiepen in stof
- dropboxaccount opzetten
-onderwerp:supergeleiding
-bronnen
-Verder verdiepen in stof
-Potentiële hoofdvragen opstellen
-Bronnen bijwerken
-3 potentiële hoofdvragen
verzonnen
-Bronnen bijwerken
-Plan van aanpak af
-Bronnen bijwerken
-Experiment bedacht
-Aanmelden workshop TU Delft
-basistheorie supergeleiding
bekeken
Workshop TUDelft:
-Basistheorie supergeleiding
-Gekeken naar mogelijkheden
voor onderzoeken in praktijk (is
mogelijk, supergeleiders zelf
maken/kopen)
-‘Recept’ voor zelf maken/kopen
van supergeleiders.
-Met tu Delft contact zoeken
-mogelijk om Te te verkrijgen via
school: €11 per 10 gram
-Recept voor supergeleider
gevonden
-proefdetails/opstelling
opgezocht
-Deelvragen herzien
-definitieve deelvragen opgesteld
-Verdiept in stof
-theorie geschreven
-volgorde van het verhaal
bedacht
-Uitwerken van de theorie
-Deelvragen 1 en 2 af
-afwijzing practicum
-nieuw practicum bedacht
-verbetering deelvraag 1 en 2
-achtergrond artikel meissner
effect geschreven
Wat nog niet gedaan
Hoofdvraag verzonnen
Nog geen definitieve
hoofdvraag
Nog geen definitieve
hoofdvraag
Go/no go moment
Contact opnemen TU Delft
-Deelvragen aanpassen
-‘Recept’ voor het maken
van supergeleiders
vinden/supergeleiders
kopen
-geen recept gevonden voor
ijzer-telluurzwavellegering, de
specifieke supergeleider
voor drank test
-geen recept
-geen plek om proef uit te
voeren
-contact zoeken met TU
Delft voor iemand die ons
kan helpen met de proef
-nog niet alle benodigheden
voor de proef
-theorie
-theorie
-theorie helemaal
uitwerken
-bevestiging practicum
-opnieuw contact opnemen
met Ad van TU Delft
Pagina | 50
20 februari
5 uur
-Ingelezen type supergeleider
-begin hoofdstuk 2
-volledig hoofdstuk 2 afmaken
-nul proef supergeleiding
-supergeleider in wijn laten
trekken
-Wijn supergeleider proef
21 februari
4 uur
22 februari
4 uur
23 februari
2 uur
2 maart
6 uur
3 maart
4 uur
-verbeteren deelvraag 1 en 2
-info opzoeken deelvraag 3 en 4
4-5 maart
10 uur
-afmaken deelvraag 1 en 2
-contact opgenomen met
Wageningen voor wijnanalyse
-deelvraag 4 afmaken
- inleiding, reflectie,
conclusie, bijlagen,
samenvatting
6 - 7maart
10 uur
-meetopstelling
-proefomschrijving
-meetresultaten
-alles nakijken
-samenvatting
-antwoord wageningen
8 maart
3 uur
-Alles doorgelezen en eventueel
verbetert.
-laatste aanpassingen aan de layout
-samenvatting nederlands
-samenvatting engels
-samenvatting in japans?
-wijn gedestilleerd en alcoholvrije
superegeleider proef uitgevoerd
-verslag bij elkaar gevoegd
-lay out gefixt
-resultaten en foto’s in het verslag
verwerkt
-wijn supergeleider proef
-wijn destilleren en
wageningen vragen om
massaspectrometie wijn te
maken
-contact opgenomen met
Wageningen
-deelvragen 3 en 4
geschreven
-voorwoord, inleiding,
reflectie, conclusie, bijlagen
-verbeteren deelvragen 1,2
deelvragen 3 en 4
geschreven
-voorwoord, inleiding,
reflectie, conclusie, bijlagen
Pagina | 51
Logboek Max
Datum
5 oktober 2011
Hoe lang
2 uur
6 oktober 2011
1 uur
7 oktober 2011
1 uur
25 oktober
2011
2 uur
9 november
2011
1 uur
17 november
2011
5 uur
17 november
2011
2 uur
19/20
november
2011
21 december
2011
2 uur
7 december
14 december
17 december
0,5 uur
0,5 uur
4 uur
2 jan – 8 jan.
9 januari
6 uur
5 uur
10 januari
2 uur
20 februari
5 uur
3 uur
Wat gedaan
-Verdiepen in stof
- dropboxaccount opzetten
-onderwerp:supergeleiding
-bronnen
-Verder verdiepen in stof
-Potentiële hoofdvragen opstellen
-Bronnen bijwerken
-3 potentiële hoofdvragen
verzonnen
-Bronnen bijwerken
-Plan van aanpak af
-Bronnen bijwerken
-Experiment bedacht
-Aanmelden workshop TU Delft
-basistheorie supergeleiding
bekeken
Workshop TUDelft:
-Basistheorie supergeleiding
-Gekeken naar mogelijkheden
voor onderzoeken in praktijk (is
mogelijk, supergeleiders zelf
maken/kopen)
-‘Recept’ voor zelf maken/kopen
van supergeleiders.
-Met tu Delft contact zoeken
-mogelijk om Te te verkrijgen via
school: €11 per 10 gram
-Recept voor supergeleider
gevonden
-proefdetails/opstelling
opgezocht
-Deelvragen herzien
-definitieve deelvragen opgesteld
-Verdiept in stof
-theorie geschreven
-volgorde van het verhaal bedacht
-Uitwerken van de theorie
-Deelvragen 1 en 2 af
-afwijzing practicum
-nieuw practicum bedacht
-verbetering deelvraag 1 en 2
-achtergrond artikel meissner
effect geschreven
-Ingelezen type supergeleider
-begin hoofdstuk 2
Wat nog niet gedaan
Hoofdvraag verzonnen
Nog geen definitieve
hoofdvraag
Nog geen definitieve
hoofdvraag
Go/no go moment
Contact opnemen TU Delft
-Deelvragen aanpassen
-‘Recept’ voor het maken
van supergeleiders
vinden/supergeleiders
kopen
-geen recept gevonden voor
ijzer-telluur-zwavellegering,
de specifieke supergeleider
voor drank test
-geen recept
-geen plek om proef uit te
voeren
-contact zoeken met TU
Delft voor iemand die ons
kan helpen met de proef
-nog niet alle benodigheden
voor de proef
-theorie
-theorie
-theorie helemaal uitwerken
-bevestiging practicum
-opnieuw contact opnemen
met Ad van TU Delft
Theorie type 1.5
volledig hoofdstuk 2
Pagina | 52
-nul proef supergeleiding
-supergeleider in wijn laten
trekken
-Wijn supergeleider proef
afmaken
-wijn supergeleider proef
21 februari
4 uur
22 februari
4 uur
23 februari
2 uur
3 maart
4 uur
4-5 maart
10 uur
-afmaken deelvraag 1 en 2
-Deelvraag 3 geschreven
-begonnen deelvraag 4
-Voorwoord geschreven
-deelvraag 4 afmaken
- inleiding, reflectie,
conclusie, bijlagen,
samenvatting
6 - 7maart
10 uur
-alles nakijken
-samenvatting
-antwoord wageningen
8 maart
3 uur
-deelvraag 4
-inleiding
-discussie
-conclusie
-Alles doorgelezen en eventueel
verbetert.
-laatste aanpassingen aan de layout
10 maart
4 uur
-verbeteren conceptversie
12 maart
4 uur
- verbeteren conceptversie
-wijn gedestilleerd en alcoholvrije
superegeleider proef uitgevoerd
-verbeteren deelvraag 1 en 2
-info opzoeken deelvraag 3 en 4
-wijn destilleren en
wageningen vragen om
massaspectrometie wijn te
maken
-contact opgenomen met
Wageningen
deelvragen 3 en 4
geschreven
-voorwoord, inleiding,
reflectie, conclusie, bijlagen
-samenvatting in japans?
Pagina | 53
Eigenverklaring
Ondergetekende, …………………………….. (naam) verklaart
- dat dit PWS eigen werk is;
- dat alles wat overgenomen is uit enige bron voorzien is van een correcte
bronvermelding.
Heemstede, ……………………………………(datum)
Handtekening:
…………………………………………………..
Ondergetekende, …………………………….. (naam) verklaart
- dat dit PWS eigen werk is;
- dat alles wat overgenomen is uit enige bron voorzien is van een correcte
bronvermelding.
Heemstede, ……………………………………(datum)
Handtekening:
…………………………………………………..
Pagina | 54
Beoordeling
Vakspecifieke beoordeling van de inhoud van een profielwerkstuk voor
natuurkunde, scheikunde, biologie, NLT, vakgedeelte Experimenteel Onderzoek
Pagina | 55
Pagina | 56