Supergeleiding

2014 - 2015
Supergeleiding
Bij welke temperatuur kan een stof –dienend als supergeleider – een magneet erboven laten
zweven?
Amy Lucassen
GA6A
Profielwerkstuk Natuurkunde
Begeleider Joris Voets
2014 - 2015
Voorwoord
Het onderwerp supergeleiding kwam niet zomaar bij me aanwaaien. Tijdens het
speeddaten vertelde een student over het verschijnsel. Hierover ben ik meer op gaan
zoeken. Ik vond het meteen erg interessant. Het was onvoorstelbaar dat alle
weerstand zou wegvallen als een materiaal wordt afgekoeld tot zeer lage
temperaturen. Ook de zwevende magneet vond ik gaaf.
Ook vond ik supergeleiding leuk, omdat het erg relevant voor de maatschappij kan
zijn. Als er een hogere temperatuur wordt gevonden waarbij supergeleiding optreedt,
zou de techniek grote stappen vooruit gaan. Zo zou er energie bespaard kunnen
worden, maar ook kun je daarbij deken aan magnetische zweeftreinen of verbeterde
MRI-scanners.
Op dit moment moeten de supergeleiders nog tot zeer lage temperaturen afgekoeld
worden. Daardoor kunnen zij ook nog niet toegepast worden in de maatschappij.
Daarom vond ik het interessant om te ontdekken of er een hogere temperatuur
mogelijk is. Hiervoor ging ik een experiment doen. Hierbij wilde ik een materiaal
supergeleidend maken en daarboven een magneet laten zweven.
Echter kon ik dit experiment niet uitvoeren op school, omdat daarvoor niet de juiste
materialen beschikbaar waren. Toen heb ik me gericht tot de profielwinkel van de
Technische Universiteit te Eindhoven. Maar zij hadden geen mogelijkheden om mijn
proef uit te voeren. Daarna ben ik op zoek gegaan naar een alternatieve plaats voor
mijn experiment. Een goede vriend van mijn vader, Peter Fransen, werkt bij Philips
Research. Ik had contact met hem opgenomen en na een maand over en weer
mailen, mocht ik daar mijn experiment uitvoeren. Hiervoor ben ik op 20 november
naar de High Tech Campus in Eindhoven gegaan. Alle voorbereidingen waren al
getroffen. De hele meetopstelling stond klaar en er was zelfs een nieuwe
supergeleidende pil gemaakt voor mijn proef. Zo kon ik mijn experiment met succes
uitvoeren. Later ontdekte ik een meetfout en deze werd door de mensen van Philips
Research gecorrigeerd. Zij voerden het experiment nogmaals uit en vonden dat de
temperatuursensor niet de juiste meetresultaten gaf. Daarom wil ik Peter Fransen,
Wilco Keur en Hans Cillessen van harte bedanken voor hun hulp en uitleg!
Ook wil ik graag Joris Voets bedanken voor de goede begeleiding bij mijn
profielwerkstuk. Het was erg handig dat ik altijd met mijn vragen bij hem terecht kon
en hij dacht goed mee als ik er niet uitkwam.
1
Inhoud
Voorwoord .................................................................................................................. 1
Inleiding ...................................................................................................................... 4
Relevantie voor de maatschappij ............................................................................ 5
Wat is supergeleiding? ............................................................................................... 6
Geleiding en isolatie van elektriciteit ....................................................................... 6
Elektrische weerstand ............................................................................................. 7
Supergeleiding ........................................................................................................ 7
Het Meissner-effect ................................................................................................. 8
Toepassing van supergeleiding in de maatschappij ................................................ 9
Conclusie .............................................................................................................. 10
Hoe wordt een supergeleider gemaakt? ................................................................... 11
Het supergeleidend materiaal................................................................................ 11
Typen supergeleiders ............................................................................................ 12
Afkoelen ................................................................................................................ 12
De supergeleidende pil.......................................................................................... 13
Conclusie .............................................................................................................. 14
Bij welke temperatuur gaat de magneet zweven? .................................................... 15
De opstelling van het experiment .......................................................................... 15
De contactjes......................................................................................................... 16
Vierpuntsmethode ................................................................................................. 17
Het experiment ...................................................................................................... 18
De meetresultaten ................................................................................................. 20
De grafieken .......................................................................................................... 22
Analyse van de resultaten ..................................................................................... 23
Conclusie .............................................................................................................. 24
Conclusie .................................................................................................................. 26
Wat is supergeleiding? .......................................................................................... 26
Hoe wordt een supergeleider gemaakt? ................................................................ 27
Bij welke temperatuur gaat de magneet zweven? ................................................. 27
Bij welke temperatuur kan een stof – dienend als supergeleider – een magneet
erboven laten zweven? ......................................................................................... 28
Bronnen .................................................................................................................... 29
Inleiding.............................................................................................................. 29
2
Eerste deelvraag ................................................................................................ 29
Tweede deelvraag.............................................................................................. 30
Derde deelvraag................................................................................................. 31
Bijlagen ..................................................................................................................... 32
3
Inleiding
Het is het jaar 1911. Heike Kamerlingh Onnes voerde experimenten met extreem
lage temperaturen uit. Hij was geïnteresseerd in het onderzoek van de Ierse Thomas
Andrews, die erin slaagde om koolzuurgas om te zetten
in een vloeistof. Zo wist Onnes als eerste
wetenschapper helium vloeibaar te maken, met een
temperatuur van -269 °C. Zijn laboratorium in Leiden
werd ook wel de koudste plek op aarde genoemd. Op 8
april onderzocht hij de weerstand van kwik bij lage
temperaturen. Daardoor ontdekte hij supergeleiding. Bij
dit verschijnsel verdwijnt de elektrische weerstand van
het metaal volledig. Eerst werd er gedacht dat het
ontbreken van de weerstand een fout was en dat er
kortsluiting was opgetreden. Maar na het experiment
enkele keren te hebben herhaald, ontdekte Onnes dat
sommige metalen bij extreem lage temperaturen alle
Figuur 1: Heike Onnes Kamerlingh
weerstand verliezen en supergeleidend worden.
In dit profielwerkstuk wil ik gaan onderzoeken wat de hoogst mogelijke temperatuur
voor een materiaal is, zodat het supergeleidend wordt. Dit wil ik doen met behulp van
een andere magneet, die erboven zal zweven wanneer het metaal supergeleidend is.
Tijdens het speeddaten op 8 april 2014, vertelde een student over supergeleiding.
Meteen vond ik dit erg interessant en ben ik op zoek gegaan naar meer informatie.
Het onderwerp supergeleiding is ontzettend breed en het moest afgebakend worden.
Na enkele keren veranderen van mijn hoofdvraag, is het uiteindelijk deze vraag
geworden: Bij welke temperatuur kan een stof –dienend als supergeleider – een
magneet erboven laten zweven? Hiervoor ga ik een experiment uitvoeren waarbij ik
een metaal supergeleidend maak door het af te koelen met vloeibare stikstof. Er zal
dan door deze koude temperatuur van -196 °C een magneet boven blijven zweven.
Hierbij wil ik onderzoeken of een hogere temperatuur ook mogelijk is. Mijn
hoofdvraag wil ik beantwoorden met behulp van mijn deelvragen. Deze zijn:



Wat is supergeleiding?
Hoe wordt een supergeleider gemaakt?
Bij welke temperaturen gaat de magneet zweven?
4
Relevantie voor de maatschappij
De vraag naar energie wordt alsmaar groter. In de toekomst zal deze vraag alleen
maar hoger worden. Dit kan op twee manieren worden opgelost. Ten eerste meer
energie gaan produceren, maar dit zal enkele problemen met zich meebrengen. Een
andere oplossing is zuiniger omgaan met de hoeveelheid energie die we hebben.
Door middel van supergeleiding kan men zuiniger omgaan met de energie. Ongeveer
10% van de getransporteerde energie gaat verloren aan de elektrische weerstand.
Bij supergeleiding treedt echter geen weerstand op en wordt deze energie bespaard.
Maar niet alleen bij het transport van energie, door bijvoorbeeld
hoogspanningsdraden, kan supergeleiding energie bespaard worden. Ook voor
elektrische auto’s en magnetische zweeftreinen zal supergeleiding voor besparing
van energie zorgen, omdat er geen rolweerstand meer is. Zo zijn er nog meer
mogelijkheden en toepassingen die met behulp van supergeleiding energie
besparend zijn.
Maar voordat supergeleiding dit energieverlies kan verbeteren, moet er een
supergeleider worden ontdekt, die werkt bij hogere temperaturen. Het koelen van de
huidige supergeleiders kost namelijk ook energie. Met mijn onderzoek wil ik proberen
een materiaal te vinden dat supergeleidend wordt bij hogere temperaturen of de
huidige supergeleiders verbeteren.
5
Wat is supergeleiding?
Deelvraag 1
Supergeleiding is het verschijnsel in de natuurkunde, waarbij een metaal dat gekoeld
is tot een extreem lage temperatuur, bijna al zijn weerstand verliest. Het is dus in
feite een vorm van geleiding zonder dat er weerstand optreedt. Om supergeleiding
beter te begrijpen, moet er de begrippen geleiding en isolatie worden uitgelegd.
Geleiding en isolatie van elektriciteit
Elektrische geleiding ontstaat door het transport van
elektrische lading. In metalen zijn deze ladingen de
elektronen, die in de buitenste elektronenschil om de kern
van het atoom heen draait. In figuur 2 zie je de opbouw
van een atoom. De atoomkern bestaat uit protonen en
neutronen en daar omheen cirkelen de elektronen. De
elektronen uit de buitenste schil kunnen worden
doorgegeven aan een volgend atoom. Daarom worden
deze elektronen ook vrije elektronen of
geleidingselektronen genoemd. Hierdoor ontstaat er een
stroom van elektronen van de ene naar de andere pool.
Figuur 2: Opbouw van een atoom
In een elektrisch systeem noemen we deze polen de kathode en de anode. De
kathode is de negatieve pool en de anode de positieve pool. De elektronen bezitten
een negatieve lading en zullen dus aangetrokken worden door de positieve anode.
Hierdoor ontstaat er een elektronenstroom van de kathode naar de anode.
Verschillende metalen, zoals koper, zilver, goud en aluminium, geleiden elektrische
stroom erg goed.
Een materiaal of medium dat elektriciteit tegenhoudt, wordt een isolator genoemd.
Isolatie is een materiaaleigenschap, waardoor er bijna geen elektrische stroom door
het materiaal zal lopen omdat de soortelijke weerstand van dit materiaal erg hoog is.
Ook de soortelijke weerstand is een materiaaleigenschap, die de mate aangeeft
waarmee de elektrische stroom wordt weerstaan. Dit wordt ook wel resistiviteit
genoemd. Deze soortelijke weerstand hangt af van een aantal factoren, namelijk van
het soort materiaal en de temperatuur.
De atomen van isolatoren hebben geen vrije elektronen, waardoor er ook vrijwel
geen elektrische stroom doorheen kan lopen. Isolatoren worden meestal gebruikt
voor de veiligheid, zodat er geen grote hoeveelheid stroom door zal lopen en geen
overslag plaats zal vinden. Elke isolator laat onder spanning wel een beetje
elektrische stroom door, dit wordt de lekstroom genoemd. De lekstroom is echter niet
gevaarlijk voor mensen. Overslag is het overspringen van elektriciteit tussen twee
6
geleiders. Dit kan voorkomen worden door een isolator te plaatsen tussen deze twee
geleiders.
Elektrische weerstand
Een materiaal dat supergeleidend is, verliest bijna al zijn weerstand. Weerstand is
een eigenschap van een materiaal die de elektrische stroom, die door dit materiaal
loopt, belemmert. De atomen in metalen zijn
gerangschikt in een bepaald rooster. De
elektronen dragen de lading en kunnen zich vrij
bewegen. Indien een elektrische stroom door het
metaal heenloopt, verplaatsen de elektronen zich
door het rooster. Ze worden dan gehinderd door
de botsingen met metaalionen en verliezen
hierdoor energie. Op deze manier ontstaat
elektrische weerstand. In figuur 3 zie je het rooster
van een metaal en de vrije elektronen, die zullen
botsen en er weerstand zal ontstaan. Als de
weerstand klein is, geleidt het materiaal de
elektrische stroom goed. Deze materialen zijn dan
Figuur 3: Weerstand in een metaal
ook geleiders. Isolatoren hebben een hoge
weerstand en laten weinig tot geen elektrische stroom door. Door bepaalde
omgevingsfactoren kan de weerstand veranderen. Deze zijn bijvoorbeeld de
temperatuur of de spanning.
Bij het transport van elektrische energie, zoals door hoogspanningskabels, treedt er
weerstand op. Door deze weerstand ontstaat er warmte. De elektrische energie
wordt dan omgezet in warmte, wat leidt tot minder elektrische energie. Op de
transportkabels staat een hoge spanning. Men doet dit om ervoor te zorgen dat er
minder energie omgezet wordt in warmte. Vanwege de lage stroomsterkte die op de
kabels staat en dus een hoge spanning, treedt er minder energie verlies op.
Supergeleiding
Er is veel onderzoek gedaan naar supergeleiding. Onderzoekers wilden verklaren
hoe het mogelijk is dat een materiaal dat supergeleidend wordt, bijna al zijn
weerstand verliest. De belangrijkste theorie die supergeleiding verklaart, is de BCStheorie, vernoemd naar de ontdekkers Bardeen, Cooper en Schrieffer. Zij
publiceerden deze theorie in 1957 en hiervoor ontvingen zij in 1972 de Nobelprijs
voor de Natuurkunde.
Normaal gesproken is een metaal geordend in een rooster, waarbij de buitenste
elektronen zich vrij kunnen bewegen. Door het aanleggen van een elektrische
stroom, ontstaat er een elektrisch veld en bewegen de elektronen één kant op, wat
men elektrische stroom noemt. Onderweg botsen de elektronen tegen de atomen
van het metaal en verliezen zo kinetische energie. Dit is de weerstand.
7
Doordat de elektronen een kleine negatieve lading hebben, laten zij een positief
geladen ion achter. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan waardoor de ionen
die het dichtstbij het elektron zijn iets naar deze toetrekt.
Hierbij treden dus kleine verplaatsingen op. De positieve
ionen vormen dan een polarisatiewolk. Onder de
omstandigheden van een extreem lage temperatuur
bewegen de ionen minder snel dan de elektronen. De
polarisatiewolk trekt dan andere elektronen aan,
waardoor de twee elektronen bij de polarisatiewolk een
Figuur 4: Cooper-paren
paar kunnen vormen. Deze paren worden Cooperparen genoemd, naar hun ontdekker. De Cooper-paren
ontstaan alleen onder extreem lage temperaturen en de binding is erg zwak,
waardoor de elektronen zich wel enkele honderden nanometers uit elkaar kunnen
bevinden. In figuur 4 zie je hoe de elektronen de positieve ionen aantrekken. Dankzij
deze relatief grote afstand tussen de twee elektronen van de Cooper-paren, is de
kans dat het paar als geheel botst met een enkel atoom heel klein. Hierdoor kunnen
deze paren bijna ongehinderd door het metaal bewegen en is daardoor ook bijna alle
weerstand verdwenen.
De hoogst mogelijke temperatuur waarbij een materiaal supergeleidend wordt, noemt
men de kritische temperatuur Tc. Bij deze temperatuur kunnen namelijk Cooperparen gevormd worden en moeten de altijd aanwezige trillingen van de ionen en
atomen gedempt worden. Daarna zal de weerstand steeds minder worden totdat
deze bijna helemaal verdwenen is. Supergeleiding treedt daarom ook alleen op
beneden deze bepaalde kritische temperatuur.
Het Meissner-effect
Wanneer een materiaal overgaat naar de supergeleidende toestand, verdwijnt bijna
alle magnetische flux. Dit verschijnsel is uniek voor supergeleiders, omdat geen
enkel ander materiaal dit verschijnsel vertoont.
Het Meissner-effect werd ontdekt in 1933 door Walther Meissner en zijn assistent
Robert Ochsenfeld. Zij deden onderzoek naar
de magnetische eigenschappen van
materialen als ze supergeleidend worden. Een
loden cilinder stootte de magnetische flux uit
wanneer deze supergeleidend werd. Ook
ontdekten zij dat een supergeleider een
volmaakte diamagnetische toestand is. De
eigenschap van een materiaal waardoor het
een magnetisch veld kan creëren,
tegengesteld aan een uitwendig magnetisch
veld, wordt diamagnetisme genoemd. Bij
supergeleiders is dit effect veel sterker in
Figuur 5: Extern magnetisch veld bij
vergelijking met normale materialen.
supergeleiders
8
Diamagnetisme wordt veroorzaakt door de beweging van de elektronen rond de kern
van een atoom bij normale materialen. Bij supergeleidende materialen wordt het
veroorzaakt door de afschermende stromen die tegen de veldlijnen van het
uitwendige magnetische veld in lopen.
Het Meissner-effect ontstaat als er een extern magnetisch veld wordt aangebracht.
De supergeleider zal dan een elektrische stroom laten lopen die een tegengesteld
magnetisch veld opwekt. Dit is te zien in figuur 5. Deze geïnduceerde stroom blijft
lopen doordat er supergeleiding optreedt. Er is dan namelijk een verwaarloosbaar
kleine weerstand en zo zou deze elektrische stroom bijna oneindig lang blijven lopen.
Voor de supergeleider is het dus mogelijk om een intern magnetisch veld te creëren
dat even sterk is als het extern magnetisch veld. De magnetische veldlijnen van het
extern magneetveld kunnen op deze manier het supergeleidend materiaal niet
binnendringen. Als dus een magneet
boven een supergeleidend materiaal zal
worden geplaatst, zal deze erboven
blijven zweven. In figuur 6 is de
opstelling van het experiment van het
Meissner-effect te zien.
Figuur 6: Experiment Meissner-effect
Toepassing van supergeleiding in de maatschappij
De toepassing van supergeleiding is vooral gunstig omdat er geen energieverlies
optreedt in de stroomkring, vanwege de te verwaarlozen kleine weerstand. Dankzij
de hogetemperatuursupergeleiders, dus door gebruik te maken van vloeibare stikstof
als koelmiddel en een keramisch materiaal, is het mogelijk om supergeleiding in de
praktijk toe te passen.
Het bekendste voorbeeld van supergeleiding in de praktijk is de MRI-scanner. In
figuur 7 deze scanner te zien. Dit medisch apparaat vormt een beeld van het
binnenste van het lichaam. Hierbij wordt gebruik
gemaakt van de magnetische resonantie. Door
het uitzenden van elektromagnetische straling,
slaan de kerndeeltjes van bepaalde moleculen
aan doordat zij hun eigen minuscule magnetisch
veld bezitten. Na een tijdje valt de aangeslagen
kern weer terug naar de grondtoestand door het
uitzenden van een foton. Het magneetveld van de
MRI-scanner wordt opgewekt door
supergeleidende spoelen. Deze worden door
vloeibaar helium gekoeld. De apparatuur die
nodig is voor de scanner is erg duur.
Figuur 7: MRI-scanner
9
Een ander bekend voorbeeld voor de toepassing van supergeleiding zijn de
SQUID’s. Deze worden vooral gebruikt in de
experimentele natuurkunde. Er wordt een kleine
supergeleidende stroomkring opgewekt om minuscule
elektromagnetische velden waar te nemen. Een SQUID
bestaat uit twee of meer Josephson-juncties. Een
Josephson-junctie bestaat uit twee supergeleiders met
daartussen een dunne isolator. Opvallend is dat er toch
een elektrische stroom door de isolator kan lopen, als
deze dun genoeg is. Hoewel deze stroom door een
isolator loopt, ondervindt hij toch geen weerstand.
Tussen de twee juncties ontstaat er interferentie. Als er
bij het magnetisch veld een kleine verandering optreedt,
verandert de stroom door de twee juncties sterk. In
figuur 8 wordt de werking van een SQUID
Figuur 8: Werking van een SQUID
weergegeven.
Conclusie
Supergeleiding kan worden verklaard met de BCS-theorie. Deze theorie gaat uit van
een elektrische stroom, waarbij vrije elektronen door het rooster bewegen. Zij laten
een positief geladen ion achter. Deze worden aangetrokken door de negatief geladen
elektronen. Hierdoor ontstaat een polarisatiewolk. Onder lage temperaturen bewegen
ionen langzamer dan elektronen, waardoor de polarisatiewolk andere elektronen
aantrekt. De twee elektronen vormen dan een Cooper-paar. De binding tussen de
twee elektronen is zwak, waardoor ze op enkele nanometers van elkaar kunnen
bevinden. De kans dat het hele Cooper-paar tegen één ion botst, is heel klein,
waardoor de weerstand bij supergeleiding bijna helemaal verdwijnt. De weerstand is
dan ook een eigenschap van een materiaal die de lopende, elektrische stroom
belemmert. Supergeleiding is dus het verschijnsel, waarbij een metaal bijna al zijn
weerstand verliest, wanneer deze is gekoeld tot een extreem lage temperatuur.
Het Meissner-effect treedt op als er een magnetisch veld van buitenaf boven de
supergeleider wordt aangelegd. Door een supergeleider loopt een elektrische stroom
die een tegengesteld magnetisch veld opwekt. Deze geïnduceerde stroom blijft lopen
doordat er supergeleiding optreedt en er dus geen weerstand is. Zo komt er binnenin
de supergeleider een magnetisch veld tot stand. Voor het magnetisch veld van
buitenaf is het niet mogelijk om het inwendig magnetisch veld binnen te dringen. De
magneet blijft dus zweven, als deze boven de supergeleider wordt geplaatst.
10
Hoe wordt een supergeleider gemaakt?
Deelvraag 2
Een supergeleider is opgebouwd uit verschillende componenten. Als eerste is er voor
een experiment met supergeleiding een supergeleidend materiaal nodig.
Het supergeleidend materiaal
Na de ontdekking van Heike Kamerlingh Onnes is er veel onderzoek gedaan naar
supergeleiders met een hogere kritische temperatuur. Het bleek dat meer de helft
van alle materialen van het periodiek systeem supergeleidend gemaakt kon worden.
De hoogste waarde voor de klassieke supergeleiders werd gevonden in 1972 bij het
materiaal Nb3Ge, met een kritische temperatuur van 23,3 Kelvin. Deze verbinding is
een legering, dus een stof die uit meerdere metalen bestaat. Om deze stof
supergeleidend te maken, is er vloeibare helium nodig met een temperatuur van
-269 °C. Alleen bij bepaalde kristalstructuren kunnen de polarisatiewolken goed
ontstaan. Supergeleiding treedt om deze reden alleen op bij bepaalde metalen en
metaallegeringen.
In 1986 ontdekten Georg Bednorz en Alex Müller dat er supergeleiding optreedt in
een nieuw soort materiaal. Dit was geen metaal of legering, maar een keramisch
materiaal gemaakt van lanthaan, koperoxide en barium. Professor Maw-Kuen Wu en
twee van zijn studenten vervingen lanthaan met yttrium en zo werd de stof yttriumbarium-koperoxide gevonden. Deze verbinding heeft een kritische temperatuur van
95 Kelvin. Voor het afkoelen van dit materiaal, waardoor het supergeleidend wordt,
kan vloeibare stikstof worden gebruikt met een kookpunt van 77 Kelvin. Met deze
ontdekking kwam de toepassing van supergeleiding ineens binnen handbereik.
Yttriumbariumkoperoxide (YBa2Cu3O9-δ) is een zwarte vaste stof.
Zijn molmassa is 666,19 g/mol. Deze stof wordt ook wel YBCO
genoemd. Deze stof is beschikbaar gesteld bij Philips Research
in de vorm van een pil en hiermee wordt mijn experiment gedaan.
Voordat YBa2Cu3O9-δ geschikt is voor het uitvoeren van een
experiment, moet deze stof herannuelen. Dit proces heet
annealing. Bij dit proces wordt het metaal verhit in een oven om
de fysische en soms de chemische eigenschappen te
optimaliseren. In het geval van YBa2Cu3O9-δ wordt dit proces
uitgevoerd door het materiaal te verhitten voor een tijd met 100%
zuurstof (O2) en daarna langzaam de temperatuur laten zakken.
Later bleek het materiaal echter niet veel geoptimaliseerd te zijn,
waardoor een nieuwe pil gemaakt moest worden. Dit werd
gedaan met het poeder van YBa2Cu3O9-δ dat te zien is in figuur 9.
Figuur 9: Poeder van
YBa2Cu3O9-δ
11
Typen supergeleiders
In het jaar 1950 werd een theorie gepubliceerd die niet de microscopische verklaring
van supergeleiding uitging, maar juist van de macroscopische verklaring. Het
verschijnsel supergeleiding werd verklaard met waarnemingen van de onderzoekers.
Deze theorie is de Ginzburg-Landau theorie. De grondleggers van deze theorie zijn
de Russische theoretisch natuurkundigen, Witali Ginzburg en Lev Landau. Dankzij
verder onderzoek van Aleksej Abrikosov, een andere Russische wetenschapper,
werd de theorie verklaard door middel van twee soorten supergeleiders, die allebei
een verschillend gedrag vertonen wanneer zij in een magnetisch veld komen. Voor
dit werk kregen Ginzburg en Abrikosov de Nobelprijs in Natuurkunde van 2003.
Type-I-supergeleiders zijn zuivere metalen. De kritische temperatuur Tc is erg laag,
meestal onder de 10 K. Om een zuiver metaal supergeleidend te maken, is er
vloeibare helium nodig. In supergeleidende toestand duwt een Type-I-supergeleider
het magnetisch veld naar buiten. Hiervoor geldt wel dat de veldsterkte kleiner moet
zijn dan de kritische veldsterkte Bc. Wanneer de veldsterkte groter is dan de kritische
veldsterkte, zal de magnetische flux de supergeleider binnendringen en zal de
supergeleidende toestand verdwijnen.
Type-II-supergeleiders zijn over het algemeen legeringen. De kritische temperatuur
Tc is in vergelijking met de kritische temperatuur van de Type-I-supergeleiders relatief
hoog, tot maximaal 175 K. Deze legeringen kunnen via vloeibare stikstof in de
supergeleidende toestand worden gebracht. Een aangelegd magnetisch veld wordt
naar buiten geduwd totdat deze de eerste kritische waarde Bc1 van het veld heeft
bereikt. Hierna ontstaat de gemengde toestand, waarbij de weerstand nog steeds nul
is maar ook het magnetische veld gedeeltelijk wordt doordrongen dankzij de
magnetische flux. Wanneer het veld een tweede kritische waarde Bc2 heeft bereikt,
wordt het magnetisch veld volledig doordrongen en verdwijnt de supergeleidende
toestand.
Afkoelen
Voor het afkoelen van het supergeleidend materiaal, wordt vloeibare stikstof gebruikt.
Dit is een scheikundig element. De losse atomen reageren met andere
stikstofatomen en vormen dan distikstof (N2). Dit is de bekendste vorm van stikstof.
Op kamertemperatuur is distikstof een gas. In de aardatmosfeer is erg veel N2-gas
aanwezig, bijna 78%. Voor het experiment is echter de vloeibare vorm van stikstof
nodig. Hiervoor moet het gas onder het kookpunt worden gebracht van 77,4 K. Dat is
-195,75 °C.
12
Bij het experiment dat uitgevoerd gaat worden, zal vloeibare stikstof gebruikt worden.
Het is belangrijk om goed op de veiligheid te letten. Omdat de
vloeibare stikstof een zeer lage temperatuur heeft, kan het
voor brandwonden zorgen als het in aanraking komt met de
huid. Daarom zullen handschoenen en andere beschermende
kleding benut worden tijdens het experiment. Vloeibare stikstof
wordt om deze reden ook bewaard in een groot vat van een
isolerend materiaal. Dit vat is te zien in figuur 10.
Ook is een goede ventilatie belangrijk. Doordat we niet zullen
werken in een laboratorium waar de temperatuur rond het
kookpunt van stikstof is, zal de vloeibare stikstof verdampen.
Hierdoor neemt de hoeveelheid stikstofgas in de lucht toe en
wordt de hoeveelheid zuurstofgas in de lucht kleiner. Als er te
veel stikstof in de lucht is, kan dit voor verstikking zorgen.
Hiervoor zijn ook regels opgesteld door de wetgever. Er moet
een minimum van 18% zuurstofgas aanwezig zijn in de ruimte,
omdat de aardatmosfeer 21% zuurstofgas bevat. Bij een
percentage van 19% is het verstandig om de ruimte te
verlaten. Een mens sterft binnen enkele seconden als het
percentage 6% of lager is.
Figuur 10: Vat met vloeibare stikstof
De supergeleidende pil
Het materiaal waarmee het experiment gedaan zou worden, was gemaakt in het jaar
1987. Bij de voorbereiding voor het experiment was deze stof (YBa 2Cu3O9-δ)
herannueeld. De pil werd in een oven geplaatst waarin zich 100% O2 bevindt. De
fysische eigenschappen worden door dit proces geoptimaliseerd. De oven moest
hiervoor 8 uur lang aanstaan op een temperatuur van 950 °C.
Dit proces optimaliseerde de pil echter niet. Deze was door de jaren heen te bros
geworden en daarom moest een nieuwe pil gemaakt worden. Dit werd gedaan met
het poeder van de stof YBa2Cu3O9-δ . Hierbij werd een paar procent water
toegevoegd, zodat het de vorm van een pil kon aannemen. Dit is te vergelijken met
los zand. Door het toevoegen van water is het wel
mogelijk om er een geheel van te maken, maar met
alleen los zand is het te bros. Dit geldt ook voor het
poeder van YBa2Cu3O9-δ. Dit poeder met een paar
procent water wordt in een mal gedaan. Deze is te
zien in figuur 11. Daarna gaat dit geheel in een
machine waarin er ontzettend veel druk op de pil
wordt uitgeoefend. Hierbij komt deze druk van twee
kanten, namelijk van boven en van onder. Deze druk
van twee kanten heet uni-axiaal. Hierna bestaat de
pil uit 50% zuurstof en 50% van met materiaal.
Figuur 11: Mal voor het maken van de
supergeleidende pil
13
De pil, die bestaat uit 50% zuurstof en uit 50% materiaal wordt met een spatel
voorzichtig van de mal afgehaald. Daarna gaat de pil in de oven met een
temperatuur van 100 °C. Dit is nodig om het water dat nog in de pil zit te laten
verdampen. Hierdoor krijgt de pil een hogere dichtheid. Door het gebruik van de mal
zijn er kleine geultjes ontstaan in de pil. Dit komt omdat de druk maar van twee
kanten komt. Om de pil dus zijn goede optimale vorm te geven, wordt deze uit de
oven gehaald met de spatel en voorzichtig in een condoom gedaan. Dit wordt
gedaan vanwege de ondoordringbaarheid van latex. Er werd een extra condoom
omheen gedaan, om zeker te weten dat er geen olie bij de pil zou komen. Eerst werd
het condoom helemaal vacuüm gezogen, zodat er een laagje om de pil heen zat.
Daarna werd met behulp van olie de dichtheid van de pil nog groter gemaakt. Olie
oefent namelijk van alle kanten druk uit op de pil. Zo is de pil minder bros. Deze druk
loopt wel op tot een druk van 4000 Bar. Deze druk van alle kanten heet isostatisch.
Na dit proces is de pil klaar voor het experiment.
Conclusie
Voor de bouw van een supergeleider zijn verschillende componenten nodig. Als
eerste was een supergeleidend materiaal nodig. Bij Philips Research was een
supergeleidende pil beschikbaar, die uit het materiaal YBa2Cu3O9-δ bestaat. Deze
keramische stof was een van de eerste hogetemperatuursupergeleiders. Voordat het
materiaal geschikt is voor een experiment, ondergaat het een proces dat annealing
heet. Bij dit proces wordt het materiaal verhit in een oven om de fysische en soms de
chemische eigenschappen te optimaliseren. Helaas bleek later dat het proces het
materiaal niet goed was geoptimaliseerd, waardoor een nieuwe pil gemaakt moest
worden. Deze werd gemaakt met het poeder van YBa2Cu3O9-δ. Hier wordt een paar
procent water toegevoegd en dit gaat in een mal. Nadat de pil zijn vorm heeft
gekregen, gaat deze in de oven om het water te verdampen. Daarna wordt op de pil
van alle kanten druk uitgeoefend, met behulp van olie, waardoor de dichtheid van de
pil nog groter wordt.
Om de supergeleidende pil af te koelen is vloeibare stikstof nodig. Deze stof heeft
een kookpunt van -196 °C. Dankzij dit redelijk hoog kookpunt, is vloeibare stikstof
geschikt voor het afkoelen van de supergeleider. Voor de veiligheid had ik tijdens het
experiment een veiligheidsbril, labjas en handschoenen aan.
Een supergeleider bestaat uit een materiaal, wat in dit geval een keramisch materiaal
is. Dit materiaal kan worden gekoeld met vloeibare stikstof, waardoor het in de
supergeleidende toestand wordt gebracht.
14
Bij welke temperatuur gaat de magneet zweven?
Deelvraag 3
Om te onderzoeken bij welke temperatuur de magneet gaat zweven, deed ik een
experiment bij Philips Research te Eindhoven. Bij dit experiment onderzocht ik of er
supergeleiding ontstaat bij het afkoelen van YBa2Cu3O9-δ en ook of het Meissnereffect zou optreden.
De opstelling van het experiment
Opstelling van experiment
Dit is de schematische opstelling van het experiment. Er wordt gebruik gemaakt van
de vierpuntsmethode. Dit wordt gedaan om de weerstand van de draden en de
contacten niet mee te meten. De voltmeter, waaraan twee punten zitten aangesloten,
meet precies hoeveel spanning er door de schakeling loopt, bij een bepaalde
stroomsterkte. Op de stroombron, waaraan de andere twee punten aangesloten
zitten, wordt een bepaalde stroomsterkte ingevoerd
en deze blijft gedurende het gehele experiment
hetzelfde. Als laatste is er een T-koppel gemaakt.
Om deze te maken, moest een klein gaatje in de
supergeleidende pil geboord worden. Dit was nodig
om de temperatuur te meten binnenin de
supergeleidende pil. Met deze methode konden
dus de spanning en de temperatuur gemeten
worden. In figuur 12 zie je hoe de opstelling er bij
Philips Research uitzag.
Figuur 12: Opstelling van het experiment
15
Bij het experiment maakten we gebruik van verschillende componenten. Deze zijn te
zien in figuur 13.
Figuur 13: Verschillende componenten bij het experiment
De contactjes
Voor het verbinden van de draadjes op de supergeleidende pil voor de
vierpuntsmethode waren verschillende materialen nodig. Als eerste moest er een dun
laagje goud op de pil bevestigd worden. Dit gebeurde door het goud neer te laten
slaan. Zo ontstond een laagje van ongeveer 0,001 millimeter dikte. Goud wordt
gebruikt als materiaal, omdat goud een zeer goede geleider is. Dit betekent dat er
weinig weerstand in dit neergeslagen goud is.
Daarna werd een kunsthars op het neergeslagen goud gelegd. Dit kunsthars bestond
uit twee componenten zilverepoxy. Hierin zitten kleine zilverdeeltjes, die ook een
goede geleider zijn. Dit is een soort lijm waarin de draadjes worden gelegd. Daarna
gaat dit geheel even in de oven op een temperatuur van 60 °C. Hierdoor wordt de
zilverepoxy laag hard en zijn de draadjes bevestigd
aan de pil.
In figuur 14 zijn deze contactjes te zien. Op de pil zit
een heel dun laagje neergeslagen goud. Daarop zit het
zilverepoxy kunsthars, waarin de draadjes zitten.
Figuur 14: Contactjes op de supergeleider
16
Vierpuntsmethode
Voor het meten van zeer kleine weerstanden levert de gebruikelijke
tweepuntsmethode problemen op. Dit is het beperkte vermogen van een batterij.
Meestal kan een batterij niet voldoende stroom opbrengen. Daarom is een andere
meetmethode nodig.
Een tweede probleem is de overgangsweerstand. Dit vindt plaats bij de
meetklemmen. Hierbij vind een overgang plaats van de stroom. Deze overgang is
niet weerstandloos. Om dit niet op te laten treden wordt gebruikt gemaakt van de
vierpuntsmethode. Hierbij worden er twee gebruikt om de stroom te laten lopen.
Deze stroom is bekend. De andere twee worden gebruikt om de spanning te meten.
Met deze twee gegevens is het berekenen van de weerstand mogelijk.
In onderstaand figuur is dit duidelijker te zien. In de linker situatie is een gewone
tweepuntsmeting weergegeven. De spanningsmeter meet de spanning over de te
meten weerstand met de twee overgangsweerstand op de rode punten. In de situatie
recht is de vierpuntsmethode weergegeven. Hierbij meet de spanningsmeter alleen
de spanning over de weerstand. De overgangsweerstanden worden op deze manier
niet gemeten. Bij mijn experiment gebruikten we ook de vierpuntsmethode, zodat we
de weerstand over de supergeleidende pil konden meten en de
overgangsweerstanden niet mee meetten.
Opstelling links: Tweepuntsmethode
Opstelling rechts: Vierpuntsmethode
17
Het experiment
BEWIJZEN VAN SUPERGELEIDING
Voor mijn experiment ging ik naar Philips Research in Eindhoven
op 20 november 2014.Dit kwam omdat op school niet de juiste
middelen beschikbaar waren voor het experiment. Bij dit bedrijf
was de juiste apparatuur beschikbaar en waren de mensen bereid
om mij te helpen. Met hun hulp heb ik de opstelling opgesteld en
mijn experiment kunnen doen.
Toen ik daar aankwam, werd ik eerst welkom geheten. Daarna
gingen we naar het laboratorium waar de opstelling klaarstond.
Voor de veiligheid deed ik een veiligheidsbril op en een labjas aan.
Het werken met vloeibare stikstof moet wel op een veilige manier
gebeuren.
Toen kon het experiment beginnen. Als eerste moest de
Figuur 15: Welkomsbord bij
supergeleider afgekoeld worden met vloeibare stikstof. In figuur 16 de High Tech Campus
is te zien hoe ik de vloeibare stikstof bij de supergeleider giet. Het
afkoelen duurde een tijdje, omdat de supergeleider een thermische dichtheid heeft.
Dit houdt in dat eerst de buitenste laag van het metaal YBa2Cu3O9-δ dat op
kamertemperatuur is en wordt afgekoeld met vloeibare stikstof, supergeleidend
wordt. Later pas krijgt de kern van de supergeleidende pil de benodigde temperatuur.
Pas op dat moment is de gehele pil supergeleidend geworden. Hoe het komt dat niet
meteen de hele pil is afgekoeld door de vloeibare stikstof, komt door de moleculen.
Bij een hoge temperatuur trillen deze moleculen sneller dan bij een lage temperatuur.
Dit proces is endotherm, wat betekent dat er energie meestal in de vorm van warmte
nodig is voor het proces. Deze benodigde energie wordt onttrokken aan de vloeibare
stikstof, die een temperatuur van -196 °C heeft. Hierdoor gaat de stikstof ook koken.
Ook de luchtmoleculen komen in aanraking met deze stikstof en daardoor wordt er
ook energie aan onttrokken. Hierdoor
verdampt de vloeibare stikstof. De
moleculen in het Yttriumbariumkoperoxide
in de buitenste laag onttrekken de energie
uit de vloeibare stikstof. De deeltjes in de
kern onttrekken deze energie weer uit de
deeltjes van de buitenste laag. Hierdoor
daalt de temperatuur.
Figuur 16: Het gieten van de vloeibare stikstof bij de
supergeleider
18
De supergeleider lag in een schaaltje met daaronder
een isolator. Dit is gedaan om de meest optimale
resultaten te verkrijgen. In figuur 17 is deze opzet te
zien. De supergeleider is bevond zich in een
stroomkring, waarbij de stroomsterkte (I = 0,60 A)
constant bleef. Tijdens het experiment noteerde ik elke
twee graden Celsius de spanning op. Daarna kon ik
met behulp van de stroomsterkte die tijdens het hele
experiment 0,60 Ampère is, de weerstand berekenen
met de formule:
𝑅=
Figuur 17: Isolator onder de opstelling
𝑈
𝐼
𝑊𝑎𝑎𝑟𝑏𝑖𝑗𝑔𝑒𝑙𝑑𝑡 𝑅: 𝑑𝑒 𝑤𝑒𝑒𝑟𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑 𝑖𝑛 𝑂ℎ𝑚 (Ω)
𝑈: 𝑑𝑒 𝑠𝑝𝑎𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑖𝑛 𝑉𝑜𝑙𝑡 (𝑉)
𝐼: 𝑑𝑒 𝑠𝑡𝑟𝑜𝑜𝑚𝑠𝑡𝑒𝑟𝑘𝑒 𝑖𝑛 𝐴𝑚𝑝è𝑟𝑒 (𝐴)
HET BEWIJZEN VAN HET MEISSNER-EFFECT
Het Meissner-effect ontstaat wanneer er een extern magnetisch veld wordt
aangebracht boven een supergeleider. Door de supergeleider loopt een elektrische
stroom die een tegengesteld magnetisch veld opwekt. Deze geïnduceerde stroom
blijft lopen doordat er supergeleiding optreedt. Er is dan namelijk een
verwaarloosbaar kleine weerstand. Zo ontstaat er een inwendig magnetisch veld. Het
extern magnetisch veld kan dit inwendig magnetisch veld niet binnendringen.
Wanneer een magneet boven de supergeleider wordt geplaatst, blijft deze dus
erboven zweven.
Het Meissner-effect treedt alleen op
wanneer het metaal YBa2Cu3O9-δ zich
in de supergeleidende toestand
bevindt. Dit metaal wordt
supergeleidend wanneer de
temperatuur gedaald is tot onder de
kritische temperatuur. In figuur 18 is
te zien dat de magneet werkelijk
boven de supergeleider blijft zweven
en daarmee is het Meissner-effect
bewezen.
Figuur 18: Het Meissner-effect
19
De meetresultaten
T (°C)
-196
-195
-194
-193
-191
-190
-189
-187
-186
-185
-184
-182
-181
-180
-178
-177
-174
-171
-169
-168
-165
-163
-161
-159
-156
-154
-152
-150
-148
-145
-143
-140
-138
-136
-134
-131
-129
-127
-125
-122
-120
I (A)
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
U (V)
R( Ω)
0
0
0
0
0
0
0
0,00001
0,00004
0,00006
0,0001
0,00016
0,00017
0,00018
0,0002
0,0002
0,0002
0,00021
0,00021
0,00022
0,00022
0,00022
0,00023
0,00023
0,00023
0,00023
0,00024
0,00024
0,00024
0,00024
0,00025
0,00025
0,00025
0,00025
0,00026
0,00026
0,00026
0,00026
0,00026
0,00027
0,00027
0
0
0
0
0
0
0
1,67E-05
6,67E-05
0,0001
0,000167
0,000267
0,000283
0,0003
0,000333
0,000333
0,000333
0,00035
0,00035
0,000367
0,000367
0,000367
0,000383
0,000383
0,000383
0,000383
0,0004
0,0004
0,0004
0,0004
0,000417
0,000417
0,000417
0,000417
0,000433
0,000433
0,000433
0,000433
0,000433
0,00045
0,00045
In tabel 1 zijn mijn meetresultaten van
mijn experiment te zien. In het begin heb
ik per graad Celsius de spanning
opgeschreven. Dit heb ik gedaan omdat
ik verwachtte dat rond die lage
temperaturen de kritische temperatuur
zou liggen. Op dat moment zou de
weerstand snel toenemen. Dit punt ligt
op -187 °C. De stroomsterkte blijft
gedurende het hele experiment gelijk,
namelijk 0,6 Ampère. Met deze
meetgegevens kon ik de weerstand
berekenen met behulp van de formule:
𝑅=
𝑈
𝐼
Deze berekende weerstand is te zien in
de laatste kolom.
Tabel 1: Meetresultaten van het experiment bij
Philips Research.
20
-118
-116
-113
-111
-109
-106
-104
-102
-100
-97
-95
-93
-91
-88
-86
-84
-82
-79
-77
-75
-73
-70
-68
-66
-63
-61
-59
-57
-54
-52
-50
-48
-45
-43
-41
-39
-36
-34
-32
-29
-27
-25
-23
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,00027
0,00027
0,00028
0,00028
0,00028
0,00028
0,00028
0,00029
0,00029
0,00029
0,00029
0,0003
0,0003
0,0003
0,0003
0,0003
0,0003
0,00031
0,00031
0,00031
0,00031
0,00031
0,00032
0,00032
0,00032
0,00032
0,00033
0,00033
0,00033
0,00033
0,00033
0,00034
0,00034
0,00034
0,00034
0,00034
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00035
0,00036
0,00036
0,00045
0,00045
0,000467
0,000467
0,000467
0,000467
0,000467
0,000483
0,000483
0,000483
0,000483
0,0005
0,0005
0,0005
0,0005
0,0005
0,0005
0,000517
0,000517
0,000517
0,000517
0,000517
0,000533
0,000533
0,000533
0,000533
0,00055
0,00055
0,00055
0,00055
0,00055
0,000567
0,000567
0,000567
0,000567
0,000567
0,000583
0,000583
0,000583
0,000583
0,000583
0,0006
0,0006
Figuur 19: Bezig met experiment
21
-20
-18
-16
-14
-11
-9
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,6
0,00036
0,0006
0,00036
0,0006
0,00036
0,0006
0,00037 0,000617
0,00037 0,000617
0,00037 0,000617
De grafieken
De curve van grafiek 1geeft het verband tussen de weerstand en de temperatuur bij
een supergeleider weer. Het verloop van de curve is in een soort van trap-vorm. Dit
is te verklaren met de meetgegevens. De spanning wordt gemeten in twee
significante cijfers. Dit betekent dat de meting van spanning een
meetonnauwkeurigheid heeft van 0,005 millivolt. Daarom lijkt het alsof de spanning
bij bepaalde opeenvolgende temperaturen gelijk blijft, terwijl deze in werkelijkheid
geleidelijk stijgt.
Verband tussen weerstand en temperatuur bij
supergeleiding
0.0007
0.0006
0.0005
Weerstand(Ω)
0.0004
0.0003
0.0002
0.0001
0
-250
-200
-150
-100
Temperatuur (°C)
-50
0
-0.0001
Grafiek 1
In grafiek 2 is een stijgende, vloeiende curve te zien. Rond -187 °C is in de curve een
steiler verloop te zien. Onder deze temperatuur is de supergeleider volledig in
supergeleidende toestand, omdat de weerstand helemaal is verdwenen. Tijdens het
steile gedeelte van de curve is het metaal in de gemengde fase. Hij is dan nog wel
supergeleidend, omdat de weerstand dan nog steeds heel klein is. Als de grafiek
weer minder steil wordt, is het metaal niet meer supergeleidend, maar is het een hele
goede geleider.
22
Verband tussen weerstand en
temperatuur bij supergeleiding
0.0007
Weerstand (Ω)
0.0006
0.0005
0.0004
0.0003
0.0002
0.0001
0
-250
-200
-150
-100
-50
0
Temperatuur (°C)
Grafiek 2
In grafiek 3 is gedetailleerder weergegeven hoe de curve loopt rond de kritische
temperatuur. Hier is duidelijk te zien dat de kritische temperatuur -187 °C is. Vanaf
deze temperatuur stijgt de weerstand snel en neemt de supergeleidende toestand af.
Kritische temperatuur
0.0004
0.00035
Weerstand (Ω)
0.0003
0.00025
0.0002
0.00015
0.0001
0.00005
0
-200
-195
-190
-185
-180
Temperatuur (°C)
-175
-170
-165
Grafiek 3
Analyse van de resultaten
Mijn verwachting was dat de kritische temperatuur zou liggen rond de -178°C. Deze
had ik gevonden in mijn bronnen. Echter is mijn kritische temperatuur, die ik heb
gevonden bij het uitvoeren van mijn experiment -187°C.
Tijdens het eerste experiment vond ik een kritische temperatuur van -165°C. Dit
klopte niet, en na uitvoering van hetzelfde experiment met een andere
temperatuursensor werd de laagste temperatuur -196°C in plaats van -173°C.
Daarom klopte mijn meetresultaten niet helemaal. De temperatuurschaal was niet
juist, daarom moest hier een correctie plaatsvinden. Dit deed ik door elke
23
temperatuur te vermenigvuldigen met een factor van
196
173
. Dit leverde een kritische
temperatuur op van -187°C (86 K). Dit getal is net iets lager dan het gerapporteerde
getal van 90 tot 92 Kelvin.
Als ik de meting bij een veel lagere stroom gedaan zou hebben, zoals 1mA of nog
minder, dan zou ik een hogere TC gemeten hebben. Bij een hogere stroom zal de
supergeleider namelijk eerder quenchen. Dit betekent dat het niet meer
supergeleidend is. Voor een dergelijke meting zou echter wel een veel gevoeligere
stroom- en spanningsmeter nodig hebben gehad.
Conclusie
Mijn experiment voerde ik bij Philips Research uit. Hiervoor had ik de
supergeleidende pil nodig, die al van tevoren gemaakt was. Om de spanning en de
stroomsterkte te meten, was de vierpuntsmethode nodig. Twee van de vier punten
zaten aangesloten aan een voltmeter. De andere twee punten zitten aangesloten aan
een stroombron. De stroomsterkte die deze biedt, blijft gedurende het hele
experiment gelijk. Dit is gedaan om de weerstand, die de draden en de contactjes
bezitten, niet mee te meten. Ook was het nodig om een T-koppel te maken. Hiervoor
werd een klein gaatje geboord in de supergeleidende pil. Hiermee kon de
temperatuur binnenin de supergeleider gemeten worden.
Het verbinden van de draadjes aan de supergeleider werd gedaan met verschillende
materialen. Eerst is er een dun laagje goud neergeslagen op de supergeleider,
omdat goud een zeer goede geleider is. Daarna werd een kunsthars van zilverepoxy
op dit neergeslagen goud bevestigd. Hierin werden de draadjes gelegd en zo kon de
meting beginnen.
Tijdens het experiment werd de pil van Yttriumbariumkoperoxide in de
supergeleidende toestand gebracht door het af te koelen met vloeibare stikstof. Het
duurde een tijdje voordat de hele pil supergeleidend was geworden, omdat de pil een
thermische dichtheid heeft. De supergeleidende pil lag op een schaaltje met
daaronder een isolator, zodat de meest optimale resultaten werden verkregen.
De stroomsterkte was gedurende het hele experiment 0,60 Ampère en dus constant.
Bij elke stijging van twee graden Celsius in temperatuur schreef ik de spanning op.
Met behulp van deze gegevens kon ik bij elke temperatuur de weerstand berekenen.
Dit deed ik met behulp van de formule: 𝑅 =
𝑈
𝐼
Ook wilde ik graag onderzoeken of het Meissner-effect zou optreden bij
Yttriumbariumkoperoxide als deze in de supergeleidende toestand bevindt. Bij het
Meissner-effect loopt er een stroom door de supergeleider die een magnetisch veld
opwekt. De veldlijnen van een extern magnetisch veld kunnen op deze manier de
supergeleider niet binnendringen en daardoor blijft een magneet erboven zweven. Dit
effect treedt alleen op als de temperatuur is gedaald tot onder de kritische
temperatuur.
24
Deze kritische temperatuur vond ik met mijn experiment. Op het punt dat de
spanning toeneemt en dus de weerstand toeneemt, is de temperatuur hoger dan de
kritische temperatuur. Dit punt was tijdens mijn experiment -187 °C. Bij deze
temperatuur blijft een magneet ook boven de supergeleider zweven.
In mijn bronnen was de kritische temperatuur -178°C, maar bij mijn experiment vond
ik een kritische temperatuur van -187°C. Deze lagere temperatuur dan de
gerapporteerde temperatuur komt, omdat een redelijk hoge stroomsterkte werd
gebruikt tijdens het experiment. Bij een hogere stroomsterkte gaat de supergeleider
eerder quenchen.
25
Conclusie
In het jaar 1911 ontdekt Heike Kamerlingh Onnes supergeleiding. Eerst dacht hij dat
er kortsluiting was opgetreden, maar hij herhaalde het experiment enkele keren en
kwam zo tot de conclusie dat sommige metalen alle weerstand verliezen bij extreem
lage temperaturen. Dit noemde hij supergeleiding.
Supergeleiding vind ik een erg interessant verschijnsel in de natuurkunde. Een
experiment uitvoeren dat met supergeleiding te maken had, was voor mij de reden
om me meer te gaan verdiepen in dit onderwerp. Ik las over lage
temperatuursupergeleiders en later over de hoge temperatuursupergeleiders.
Wanneer er een hogere kritische temperatuur wordt gevonden voor het optreden van
supergeleiding, zou hiermee energie bespaard kunnen worden. Er treedt namelijk
geen weerstand op bij supergeleiding en zo gaat er ook geen energie verloren bij het
transport. Maar de kritische temperatuur van de huidige supergeleiders is nog te laag
om echt energiewinst te behalen, omdat er voor het afkoelen veel energie nodig is.
Zo zou een supergeleider meer energie verbruiken dan besparen. Met mijn
onderzoek heb ik geprobeerd een hogere kritische temperatuur te vinden voor een
supergeleider, zodat dit in de maatschappij kan worden toegepast. Hierbij heb ik mijn
hoofdvraag opgesteld: Bij welke temperatuur kan een stof – dienend als
supergeleider – een magneet erboven laten zweven? Deze hoofdvraag heb ik
beantwoord met mijn deelvragen.
Wat is supergeleiding?
Bij geleiding is er een transport van elektrische lading ontstaan. Dit zijn de elektronen
van de buitenste schil van een atoom. Deze kunnen worden doorgegeven aan een
volgend atoom. Hierdoor ontstaat een stroom van elektronen van de ene pool naar
de andere pool. Hierbij ontstaat weerstand. Dit is de eigenschap van een materiaal
die de elektrische stroom belemmert, die door dit materiaal loopt. Weerstand bij
metalen ontstaat wanneer de elektronen door een rooster van metaalionen gaan. Ze
worden gehinderd doordat ze tegen de metaalionen botsen.
Supergeleiding is het verschijnsel in de natuurkunde waarbij een metaal dat gekoeld
is tot een extreem lage temperatuur, bijna al zijn weerstand verliest. Er is veel
onderzoek gedaan naar supergeleiding en de belangrijkste theorie voor de verklaring
is de BCS-theorie. Hierbij bewegen vrije elektronen door het rooster, waarbij zij een
positief geladen ion achterlaten. Deze ionen worden aangetrokken door de negatief
geladen elektronen, waardoor een polarisatiewolk ontstaat. Wanneer dit onder lage
temperatuur plaatsvindt, bewegen de elektronen sneller dan de polarisatiewolk. Deze
wolk trekt dan een ander elektron aan. Deze twee elektronen vormen samen het
Cooper-paar. Dit paar kan zich enkele nanometers uit elkaar bevinden, door de
zwakke binding tussen beiden. Hierdoor wordt de kans dat het hele Cooper-paar
tegen één ion botst zeer klein, waardoor er ook geen weerstand meer is. Op dit
moment bevindt de stof zich in de supergeleidende toestand. De hoogst mogelijke
temperatuur waarbij supergeleiding optreedt, is de kritische temperatuur. Bij deze
temperatuur is het mogelijk voor twee elektronen om een Cooper-paar te vormen.
26
Wanneer een stof zich in de supergeleidende toestand bevindt, treedt ook het
Meissner-effect op. Er wordt een extern magnetisch veld aangelegd boven de
supergeleider. Door de supergeleider loopt een elektrische stroom die een
tegengesteld magnetisch veld opwekt. De stroom blijft lopen door de supergeleider,
omdat er geen weerstand is. Het extern magnetisch veld is niet in staat om het
inwendig magnetisch veld binnen te dringen. Wanneer er dus een magneet boven
een supergeleider wordt geplaatst, blijft deze zweven.
Hoe wordt een supergeleider gemaakt?
Een supergeleider bestaat uit verschillende componenten. Als eerste was een
supergeleidend materiaal nodig. Dit is de keramische stof YBa2Cu3O9-δ, dat een van
de eerste hogetemperatuursupergeleiders was. Deze supergeleider, in de vorm van
een pil, moest eerst een proces ondergaan dat annealing heet. Hierbij wordt het
materiaal verhit in een oven om de fysische en soms ook de chemische
eigenschappen te optimaliseren. Echter had dit proces niet de gewenste uitwerking
en moest een nieuwe pil gemaakt worden. Deze werd gemaakt met het poeder van
YBa2Cu3O9-δ waarbij een paar procent water was toegevoegd. Dit ging in een mal en
er werd met behulp van olie druk aan alle kanten uitgeoefend, waardoor de dichtheid
van de pil steeg.
De supergeleidende pil is een Type-II-supergeleider. De kritische temperatuur is
relatief hoog en deze supergeleiders kunnen dus met vloeibare stikstof in de
supergeleidende toestand worden gebracht. Vloeibare stikstof heeft een kookpunt
van -196°C, waardoor dit geschikt is voor mijn experiment. Met vloeibare stikstof
moet veilig worden omgegaan, dus droeg ik een labjas, handschoenen en een
veiligheidsbril.
Bij welke temperatuur gaat de magneet zweven?
Mijn experiment heb ik bij Philips Research uitgevoerd. Van tevoren was de
supergeleidende pil al geoptimaliseerd, zodat de beste resultaten worden gemeten.
Er werd gemeten met de vierpuntsmethode. Deze methode werd gebruikt om de
weerstand van de draden en de contactjes niet mee te tellen. Twee van de vier
punten zaten aangesloten op een voltmeter. De andere twee punten waren
aangesloten op een stroombron. De stroomsterkte bleef tijdens het hele experiment
constant. Voor het meten van de temperatuur binnenin de supergeleider werd een
klein gaatje geboord, die de T-koppel wordt genoemd.
Voor het verbinden van de draadjes aan de supergeleider waren verschillende
materialen nodig. Als eerste was er een dun laagje goud neergeslagen, omdat goud
is een zeer goede geleider is. Daarna werden de draadjes met een kunsthars van
zilverepoxy op het goud bevestigd.
Om de pil van Yttriumbariumkoperoxide in de supergeleidende toestand te brengen,
werd deze afgekoeld met vloeibare stikstof. Vanwege zijn thermische dichtheid
duurde het even voordat de gehele pil afgekoeld was. De supergeleidende pil met
27
vloeibare stikstof zaten in een bakje met daaronder een isolator, zodat de beste
resultaten werden verkregen.
Tijdens het experiment noteerde ik bij iedere twee graden Celsius, dat de
temperatuur steeg, de spanning. De stroomsterkte bleef tijdens het hele experiment
gelijk. Met deze twee gegevens kon ik bij iedere temperatuur de weerstand
berekenen, met de formule: 𝑅 =
𝑈
𝐼
Om te onderzoeken of het Meissner-effect ook optrad, plaatste ik een magneet
boven de supergeleider. Deze bleef zweven. Bij het Meissner-effect wekt de
supergeleider een magnetisch veld op, omdat er een stroom doorheen loopt. Een
extern magnetisch veld wordt door dit veld af gestoten en daardoor blijft de magneet
zweven. Dit effect treedt op als de temperatuur lager is dan de kritische temperatuur.
Deze kritische temperatuur heb ik met mijn experiment gevonden. Dit is het punt
waarbij de spanning weer toeneemt, en er dus ook weerstand ontstaat. Deze
temperatuur was bij mijn experiment -187°C. Ook bleef toen de magneet boven de
supergeleider zweven en treedt dus het Meissner-effect op. In mijn bronnen had ik
anderzijds een kritische temperatuur van -178°C gevonden. Deze lagere temperatuur
dan de gerapporteerde temperatuur komt, omdat een redelijk hoge stroomsterkte
werd gebruikt tijdens het experiment. Bij een hogere stroomsterkte gaat de
supergeleider eerder quenchen.
Bij welke temperatuur kan een stof – dienend als supergeleider – een
magneet erboven laten zweven?
Uit mijn experiment blijkt dat de kritische temperatuur van YBa2Cu3O9-δ -187°C is. Dit
heb ik gevonden door de spanning en de stroomsterkte over een afgekoelde
supergeleider te meten. Bij een temperatuur die lager was dan -187°C was er geen
weerstand en trad er dus supergeleiding op. Bij een hogere temperatuur dan -187°C
nam de spanning toe en ontstond er dus ook opnieuw weerstand.
Ook het Meissner-effect trad op. De magneet bleef boven de supergeleider zweven,
waaruit de conclusie kan worden getrokken dat de supergeleider een tegengesteld
magnetisch veld opwekt. Het extern magnetisch veld van de magneet kan het intern
magnetisch veld niet doordringen, waardoor deze er dus boven blijft zweven. Dit
effect trad op bij een temperatuur die lager was dan de kritische temperatuur.
Door verder onderzoek zou een hogere kritische temperatuur gevonden kunnen
worden. Hierdoor kan supergeleiding in de toekomst toegepast worden in de
maatschappij, maar hiervoor moet de kritische temperatuur rond kamertemperatuur
liggen. Dan kan er energie worden bespaard, maar ook allerlei nieuwe ideeën
uitgevoerd worden, zoals een magnetische zweeftrein of verbetering van de huidige
MRI-scan.
28
Bronnen
Literatuurlijst
Inleiding
Fokke, J., ‘Heike Kamerlingh Onnes ontdekt supergeleiding’,
http://www.isgeschiedenis.nl/toen/april/heike-kamerlingh-onnes-ontdektsupergeleiding/ , geraadpleegd op 25 augustus 24
Gerbis, N., ‘what is superconductivity?’
http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/superconductivity.htm ,
geraadpleegd op 25 augustus 2014
How stuff works, ‘Superconductivity’,
http://health.howstuffworks.com/search.php?terms=superconductivity&x=0&y=0 ,
geraadpleegd op 25 augustus 2014
Wikipedia, ‘Superconductivity’, http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity ,
geraadpleegd op 25 augustus 2014
Eerste deelvraag
Aalderink, B., ‘Supergeleiding, hoe werkt dat?’
http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=199779, geraadpleegd op 14
oktober 2014
Eck, J., ‘Superconductors’, http://superconductors.org/ , geraadpleegd op 14 oktober
2014
ISSO, ‘Elektrische weerstand‘, http://www.issokenniskaarten.nl/kenniskaart/elektrische-installaties/basiskennis/elektrischeweerstand, geraadpleegd op 2 september 2014
Kouwenhoven, M., ‘Supergeleiding: De verbetering van de type 2 supergeleider of
onbekende werking met een ongekend resultaat’,
http://www.knawonderwijsprijs.nl/upload/werkstukken/2012_NT_Supergeleiding.pdf ,
geraadpleegd op 14 oktober 2014
Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), ‘Nieuwe
supergeleiderskoorts’,
http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_onderzoeksnieuws/2001/artikel.pag?objectnum
ber=33149 , geraadpleegd op 14 oktober 2014(Bijlage)
Wikipedia, ‘BCS-theorie’, http://nl.wikipedia.org/wiki/BCS-theorie , geraadpleegd op
14 oktober 2014
Wikipedia, ‘Cooperpaar’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Cooperpaar, geraadpleegd op 14
oktober 2014
29
Wikipedia, ‘Elektrische geleiding‘, http://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrische_geleiding,
geraadpleegd op 2 september 2014
Wikipedia, ‘Elektrische Isolatie‘, http://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrische_isolatie,
geraadpleegd op 2 september 2014
Wikipedia, ‘Elektrische weerstand (eigenschap),
http://nl.wikipedia.org/wiki/Elektrische_weerstand_(eigenschap), geraadpleegd op 16
september 2014
Wikipedia, ‘Geleider’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Geleider, geraadpleegd op 2
september 2014
Wikipedia, ‘Hoogspanningsleiding’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Hoogspanningsleiding,
geraadpleegd op 2 september 2014
Wikipedia, ‘Isolator’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Isolator , geraadpleegd op 2
september 2014
Wikipedia, ‘Josephson-junctie’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Josephson-junctie,
geraadpleegd op 6 november 2014
Wikipedia, ‘Meissner- effect’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Meissner-effect ,
geraadpleegd op 14 oktober 2014
Wikipedia, ‘MRI-scanner’, http://nl.wikipedia.org/wiki/MRI-scanner , geraadpleegd op
6 november 2014
Wikipedia, ‘Lekstroom’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Lekstroom, geraadpleegd op 2
september 2014
Wikipedia, ‘Soortelijke weerstand’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Soortelijke_weerstand,
geraadpleegd op 16 september 2014
Wikipedia, ‘SQUID’, http://nl.wikipedia.org/wiki/SQUID , geraadpleegd op 6 november
2014
Tweede deelvraag
Linde Gas, ‘Veiligheid rond vloeibare stikstof’, http://www.lindegas.nl/internet.lg.lg.ndl/nl/images/Veiligheid%20rond%20vloeibare%20stikstof%20(N
ederlands%20en%20Frans)172_37936.pdf, geraadpleegd op 12 november 2014
Straten, R. van, ‘Typen Supergeleiders’,
http://pws.vstraten.com/theorie/typen_supergeleiders/ , geraadpleegd op 16
november 2014
Wikipedia, ‘Annealing (metallurgy),
http://en.wikipedia.org/wiki/Annealing_(metallurgy) , geraadpleegd op 5 november
2014
30
Wikipedia, ‘Hogetemperatuursupergeleiding’,
http://nl.wikipedia.org/wiki/Hogetemperatuursupergeleiding , geraadpleegd op 5
november 2014
Wikipedia, ‘Ginsburg-Landau-Theorie ‘, http://de.wikipedia.org/wiki/Ginsburg-LandauTheorie , geraadpleegd op 16 november 2014
Wikipedia, ‘Ginzburg-Landau-Theory’,
http://en.wikipedia.org/wiki/Ginzburg%E2%80%93Landau_theory , geraadpleegd op
16 november 2014
Wikipedia, ‘Stikstof (element)’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Stikstof_(element),
geraadpleegd op 12 november 2014
Wikipedia, ‘Supergeleiding’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Supergeleiding ,
geraadpleegd op 16 november 2014
Wikipedia, ‘Yttrium-barium-koperoxide’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Yttrium-bariumkoperoxide , geraadpleegd op 5 november 2014
Derde deelvraag
Haije, T. en Kouwenhoven, M. ‘Supergeleiding’,
http://www.knawonderwijsprijs.nl/bestandenafbeeldingen/2012/2012_NT_Supergelei
ding.pdf, geraadpleegd op 1 december 2014
Meettechniek, ’Meten van weerstand’,
http://meettechniek.info/passief/resistief.html , geraadpleegd op 23 november
2014
Straten, R. van, ‘Profielwerkstuk supergeleiding’,
http://pws.vstraten.com/experimenten/experiment_3/, geraadpleegd op 1 december
2014
Wikipedia, ‘Endotherm proces’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Endotherm_proces,
geraadpleegd op 1 december 2014
Wikipedia, ‘Ohmmeter’, http://nl.wikipedia.org/wiki/Ohmmeter, geraadpleegd op 4
december 2014
31
Bijlagen
Logboek
Datum
Tijd
Wat heb ik gedaan?
Problemen
Resultaten
28-1-14
1 uur
18-2-14
1 uur
Informatie over het
profielwerkstuk en hoe
de opbouw hiervan is.
Carrousel, meer
informatie over de
profielwerkstukken van
vwo 6 en hoe het bij hen
liep.
Welk vak en
welke
begeleider?
-
11-3-14
1 uur
Presentatie van
Informatica
-
Ik zou graag het vak
natuurkunde doen bij
meneer Voets.
Nu weet ik beter
waar ik op moet
letten en hoe de
opzet van een
profielwerkstuk moet
zijn.
-
8-4-14
2,5 uur
Kletsen met studenten.
Opzoeken van
verschillende aspecten
van magnetisme en
uiteindelijk een keuze
gemaakt.
Misschien de
materialen die
nodig zijn.
Ik wil een onderzoek
doen naar
supergeleiding,
waarbij ik wil kijken
waarom de magneet
blijft zweven boven
een supergeleider.
15-5-14
1,5 uur
Bedenken van hoofd- en
deelvragen en zoeken
naar bronnen.
Ik heb nu een
hoofdvraag en vier
deelvragen en al
enkele nuttige
bronnen.
21-5-14
30
minuten
Bespreken met meneer
Voets.
De bronnen zijn
in de bibliotheek
van de TU/e en
misschien zijn
sommige
materialen die
nodig zijn voor
mijn onderzoek
niet aanwezig op
school.
Waarschijnlijk
kan mijn
supergeleider
niet op school
gemaakt
worden.
Ik ga met mijn
profielwerkstuk
onderzoeken bij
welke temperatuur
een stof, die dient als
supergeleider, een
magneet laat
zweven. Dus ik ga
een supergeleider
maken en hiermee
testjes doen.
32
27-5-14
2 uur
Doorlezen van het
gevonden werkboek
over supergeleiding en
de proeven die erin
staan. Ook heb ik mijn
deelvragen een beetje
aangepast.
Daarna ben ik nog
andere handige bronnen
gaan zoeken.
Inlezen over het
onderwerp
supergeleiding en de
geschiedenis hiervan.
Daarna de inleiding
geschreven.
Ik kwam erachter
dat je bij de
profielwinkel van
de TU/e pas een
aanvraag kan
doen in
augustus, dus
dat levert
vertraging op.
Nu heb ik een beter
inzicht over hoe ik
mijn proef uit zal
gaan voeren.
Maar ik zal me wel
eerst beter moeten
inlezen.
25-8-14
3 uur
-
Inleiding af en meer
inzicht over hoe
supergeleiding werkt.
27-8-14
15
minuten
Aanvraag invullen bij de
profielwinkel van de
TU/e.
-
Binnen een week
krijg ik antwoord.
2-9-14
1,5 uur
Werken aan eerste
deelvraag, het gedeelte
over geleiding en isolatie
van elektriciteit.
Het is lastig om
de goede
woorden te
vinden om het
juiste op te
schrijven en om
uit te leggen wat
je wilt uitleggen.
Gedeelte over
geleiding en isolatie
bijna af.
3-9-14
1 uur
In de bieb gekeken voor
boeken over elektriciteit
en magnetisme, daarna
nuttige bladzijden
gescand.
Dikke boeken,
maar slechts
weinig informatie
die ik kan
gebruiken.
Meer informatie over
meer algemene
delen van mijn
profielwerkstuk,
zoals
elektromagnetisme
en elektriciteit.
33
16-9-14
1,5 uur
Schrijven aan deelvraag
1, het gedeelte over
weerstand. Ook heb ik
nog enkele
veranderingen in de
inleiding gemaakt.
-
Groter gedeelte van
deelvraag 1 af.
17-9-14
1,5 uur
Netjes uitwerken van de bronnen en de gescande
bladzijden gelezen en
nuttige informatie
samengevat.
Duidelijk uitgewerkt
van de bronnen en
meer informatie die
ik kan gebruiken.
2-10-14
30
minuten
Bespreken met
meneer Voets over de
mogelijkheden van
mijn proef.
Ik ga het bedrijf
mailen of ik zo’n
thermometer mag
lenen voor mijn
experiment.
3-10-14
1,5 uur
Doorlezen van
bronnen, die ik heb
gekregen van EXOpunt van Radboud
Universiteit.
Voor mijn proef
heb ik een
thermometer nodig
die tot extreem
lage temperaturen
kan meten, deze
instrumenten zijn
erg prijzig en heb
ik misschien niet
tot mijn
beschikking. Dan
zou ik mijn
experiment en
hoofdvraag
moeten
aanpassen.
-
Belangrijke
informatie
gemarkeerd en deze
kan ik verder gaan
verwerken.
34
3-10-14
t/m 2011-14
1 uur
Over en weer mailen
naar Philips Research
voor mijn experiment.
Er moet veel
geregeld worden
en dit gaat lastig,
maar het is gelukt.
Nu vooral
informatie
uitwisselen.
Ik heb een locatie
gevonden voor mijn
experiment en heb
meteen meer geleerd
over de opbouw van
mijn experiment.
14-1014
4 uur
Doorwerken aan
eerste deelvraag,
onderdelen:
weerstand,
supergeleiding en
Meissner-effect.
De meeste sites
over het Meissnereffect waren in het
Engels, dus dit
duurde wat langer
om te begrijpen en
daarna uit te
leggen.
Mijn eerste
deelvraag is bijna
helemaal af.
5-11-14
2 uur
Werken aan deelvraag
2: het supergeleidend
materiaal
-
Meer informatie over
het supergeleidend
materiaal.
6-11-14
3 uur
Werken aan tweede
deelvraag: het
supergeleidend
materiaal en aan de
inleiding: toepassing
van supergeleiding in
de maatschappij
-
12-1114
3 uur
Werken aan deelvraag
2: afkoelen en
aanpassen van de
opmaak. Toepassing
van supergeleiding in
de maatschappij paste
beter bij deelvraag 1.
Geprobeerd zo goed
mogelijk uit te leggen
hoe men met het
supergeleidend
materiaal hogere
temperaturen aankon
en hoe
supergeleiding wordt
toegepast in de
maatschappij.
Beschrijving maken
van mijn experiment
en nuttige informatie
duidelijk uitleggen.
35
16-1114
2 uur
Lezen over GinzburgLandau theorie en
uitleg bij deelvraag 2:
typen supergeleiders
-
Het stukje is nog niet
af, maar al wel
uitwerking van de
Ginzburg-Landau
theorie.
17-1114
15
minuten
Bespreken met
meneer Voets over
experiment, de
voorbereiding en kijken
naar het geschreven
werkstuk.
Voorbereiding voor
experiment, over de
uitvoering e.d. en
verbeteringen voor
het geschreven
werkstuk.
20-1114
8 uur
Experiment uitvoeren
op Philips Research.
Uitleg gekregen over
supergeleiding, de
bouw van een
supergeleider en mijn
experiment zelf.
-
Het experiment
verliep goed, de
meetgegevens moet
ik nog wel
verwerken.
20-1114
2 uur
Na het experiment de
meetgegevens al goed
bekeken en een klein
beetje uitgewerkt.
-
Gegevens van mijn
experiment
gedeeltelijk
uitgewerkt.
23-1114
6 uur
Verder werken aan
deelvraag 2: de
supergeleidende pil en
aan deelvraag 3: de
opstelling van het
experiment en de
contactjes. Filmpje
kijken voor de
gegevens.
-
Uitleg van de
professoren bij
Philips Research
verwerkt en
opstelling uitgelegd.
36
24-1114
2 uur
Verwerken van de
gegevens in Excel en
curve gemaakt.
De curve was in
een soort trapvorm, dus heb ik
het aangepast.
Curve gemaakt met
meetgegevens.
28-1114
2 uur
Informatie gezocht
over mijn
meetresultaten van
mijn experiment bij
Philips en gegevens
nog verder uitgewerkt.
-
Meer informatie over
meetresultaten en
verdere uitwerking.
30-1114
3 uur
Verwerken en
uitleggen van
gegevens in het Word
bestand.
-
Duidelijke uitwerking
van gegevens.
1-12-14
4,5 uur
Beschrijving
experiment bij
deelvraag 3
geschreven en
meetresultaten hierin
verder verwerkt.
De gegevens staan
er nu duidelijk en het
experiment is goed
beschreven.
2-12-14
1 uur
Proberen de paginaDe
indeling aan te passen. paginanummers
tellen niet goed
door, waardoor nu
de nummering en
de inhoudsopgave
niet kloppen.
Paginanummers
doen het nog steeds
niet goed.
37
3-12-14
2 uur
Schrijven van de
conclusie bij deelvraag
1.
Veel informatie om Conclusie van
samen te vatten.
deelvraag 1 af.
4-12-14
2 uur
Schrijven van
vierpuntsmethode bij
deelvraag 3.
-
Deelvraag 3 is bijna
afgerond.
5-12-14
1 uur
Werken aan opmaak
van het werkstuk.
Sommige dingen
verspringen heel
snel en dan staat
alles door elkaar.
Bijschriften bij
afbeeldingen,
grafieken en tabellen
toegevoegd.
8-12-14
2 uur
Maken van conclusie
bij deelvraag 2 en
verwerken van
bijschriften van
afbeeldingen,
grafieken en tabellen in
de tekst.
Conclusie deelvraag
2 af en bijschriften in
de tekst verwerkt.
11-1214
1 uur
Zoeken naar verklaring
voor het verschil in
kritische temperatuur.
Gemaild naar
meneer Voets en
naar Wilco Keur van
Philips Research.
Helaas niet
gevonden.
38
12-1214
4 uur
Maken van het stukje
bij deelvraag 3:
analyse van de
resultaten en de
conclusie bij deelvraag
3.
Nog geen mail
terug.
Informatief gedeelte
van alle deelvragen
af.
14-1214
4 uur
Werken aan Conclusie
en hele werkstuk
doorgelezen en
verbeteringen
aangebracht.
Ik vond het lastig
om een goede
conclusie te
schrijven over mijn
hele werkstuk.
Conclusie is af en
verbeteringen
aangebracht.
19-1214
2 uur
Verbeteren van
meetgegevens. Het
stuk over
zuurstofopname bleek
niet van toepassing te
zijn bij mijn
experiment, en daarom
uit mijn werkstuk
gehaald.
Fout gevonden,
waardoor elke
temperatuur
verbeterd moest
worden. Nu heb ik
alle gegevens in de
tabel en grafiek
aangepast. Ook de
Conclusie en de
analyse moesten
aangepast worden.
23-1214
1 uur
Voorwoord
geschreven.
Ik had ontdekt dat
mijn kritische
temperatuur niet
klopte, hierover
had ik gemaild. De
mensen van
Philips kwamen
erachter dat de
temperatuursensor
niet goed had
gemeten.
Verbeteren duurde
best wel lang.
-
Totaal
83 uur
Voorwoord af en mijn
profielwerkstuk
opgestuurd naar
Philips Research.
39
40