FP-Seite

Ich habe einige Zeit den Versuch Nr. 20 (Tieftemperaturkalorimetrie) des Fortgeschrittenenpraktikums der Physik an der Uni Ulm betreut. Als kleine Hilfe für Studenten und meine NachfolgerInnen gibts hier einige wenige Informationen rund um diesen Versuch und die Tieftemperaturphysik:

Generelles

Im Experiment soll die Wärmekapazität C = δQ / δT eines normalleitenden Kupfer- und eines unterhalb der Sprungtemperatur Tc (ca. 5.2K für reines Vanadium) supraleitenden Vanadiumzylinders gemessen werden. Daraus kann die spezifische (molare) Wärme der beiden Materialien bestimmt werden. Für tiefe Temperaturen erwartet man nach dem Debye-Modell einen Anstieg des Gitteranteils der spezifischen Wärme mit T3, der Beitrag der Elektronen steigt nach dem Sommerfeld-Modell linear mit der Temperatur (ΘD: Debyetemperatur, γ : Sommerfeldkonstante): cmol ≈ A T3 + γ T       mit   A = 12 π4/5 Θ3D Im Falle des supraleitenden Vanadium ergibt sich durch den Phasenübergang zweiter Art (da ohne externes Magnetfeld gemessen) in den supraleitenden Zustand eine Unstetigkeit im Verlauf der Wärmekapazität bei der Sprungtemperatur Tc. Im Versuch werden die Wärmekapazitäten bei tiefer Temperatur gemessen und für die normalleitende Kupferprobe die Debyetemperatur und die Sommerfeldkonstante, für die supraleitende Vanadiumprobe die Übergangstemperatur Tc bestimmt.

Abbildung 1: spezifische Wärme einiger Festkörper (aus [1]) Abbildung 2: spezifische Wärme einer Aluminiumprobe im normalleitenden und im supraleitenden Zustand (aus [2])

Versuchsanleitung zum FP V.20

und Informationen für Praktikanten gibts hier (pdf, 2 557.69 kB)

Vakuum

Um tiefe Temperaturen zu erreichen, ist eine gute Isolation unerlässlich. Im Versuch wird diese durch den Einsatz Vakuumisolierter Dewars (Nernst-Dewars) erreicht. Erzeugung und Messung von Vakuum im Versuch V.20

Temperaturtabellen

kalibrierte Tabellen zur Umrechnung der abgelesenen Widerstände in Temperaturen (für die Kohlemassewiderstände der Probeneinsätze der Kupfer- und Vanadiumprobe, pdf, 41.84 kB)

Schematischer Aufbau des Versuchs

Aufbau der Apparatur zur Messung der Wärmekapazität bei tiefer Temperatur (pdf, 35.93 kB)
Aufbau der Kryostaten zur Kühlung der Proben (jpeg, 785.99 kB)

Sicherheit

Laborordnung der Uni Ulm.
Deutsche Stoffdatenblätter für tiefkalt verflüssigte Gase: Stickstoff und Helium.

[1] H. Hänsel, W. Neumann, Physik: Moleküle und Festkörper Spektrum, Heidelberg, 1996
[2] Neil W. Ashcroft, David N. Mermin, Festkörperphysik, Oldenbourg Verlag, München/Wien, 2001