Eleverne laver en model, hvor de ved hjælp af en lommelygte undersøger, hvorfor skyggen ‘peger’ i en bestemt retning, og hvordan skyggen kan ændre størrelse, afhængig af lysstrålens placering.
Formålet med forsøget er at vise flux pinning i “type 2” superleder. En “type 2” superleder kan svæve under en magnet.
VIGTIGT – læs dette sikkerhedsafsnit, inden du går i gang. Flydende kvælstof kan man faktisk røre ved i ganske kort tid. Dette skyldes Leidenfrost Effekten. Undlad dog at udfordre skæbnen, brug beskyttelsesbriller og undgå berøring med huden samt indånding af gassen. Som opbevaring bør man bruge en professionel termobeholder (dewar). Bruger man en almindelig termoflaske, må låget aldrig nogensinde skrues hårdt på. Flasken kan eksplodere. Læs mere om håndtering af flydende kvælstof her: https://phys.medarbejdere.au.dk/fileadmin/site_files/arbejdsmiljoe/Sikkerhed_LN2.pdf
Meissner Effekten for en superleder medfører, at et magnetfelt vil blive udstødt fra superlederens indre. Superledere opdeles dog i “type 1” og “type 2” superledere. Sidstnævnte kan faktisk godt tillade, at der presses et magnetfelt ind i superlederens indre. Magnetfeltet vil i så fald være kvantiseret i isolerede kanaler, der er afskærmede af elektriske strømme i lederen.
En af de mest anvendte superledere til undervisningsbrug er den såkaldte YBCO superleder, der netop er en “type 2” superleder. Hvis denne superleder nedkøles i flydende kvælstof, og dermed bliver superledende, kan man med en stærk magnet presse magneten tæt på superlederen, og herefter løfte superlederen op i luften.
Fænomenet skyldes “flux pinning”, et fænomen hvor de magnetisk kanaler låses fast til urenheder og defekter inde i superlederen. Det er også flux pinning, der forklarer, hvorfor magneten ikke falder ned fra superlederen, når man demonstrerer Meissner Effekten.
Hvorfor går superlederen i stykker?
Superlederne kan nemt få frostsprængninger. Når superlederen kommer op af det flydende kvælstof, vil vanddamp fra luften kondensere på den som rimfrost. Når superlederen når stuetemperatur, er den altså fugtig.
Fryses superlederen herefter ned igen, kan fugten forårsage frostsprængninger, hvilket ødelægger superlederen. Det er altså afgørende, at superlederen er fuldstændigt tør, før den fryses ned i flydende kvælstof.
Vil en perfekt leder (R = 0 ohm) ikke også udvise Meissner Effekt?
Nej. En perfekt leder vil forsøge at holde et konstant magnetfelt indvendigt, mens en superleder altid vil udstøde magnetfeltet.
Hvis en perfekt leder flyttes fra magnetfeltfrit område ind i et magnetfelt, så vil der skabes strømme i lederen, som udligner magnetfeltet inde i lederen. Hvis en perfekt leder flyttes fra et magnetfelt ind i et område uden magnetfelt, så vil der skabes strømme i lederen, så magnetfeltet bevares inde i lederen.
Hvorfor vil superlederen ikke svæve under magneten?
Der er stor forskel på, hvor kraftig flux pinning man kan opnå i forskellige superledere. Din superleder er muligvis ikke god nok. Der findes superledere, der er specielt designede til flux pinning forsøg. Prøv at købe en sådan.
PIRA DCS: 5G50.00 (Elektricitet og magnetisme: Magnetiske materialer).
En superleder er en analog lav-teknologi. Superlederen består af et materiale, der ikke har en elektrisk modstand under en bestemt temperatur. Læs mere om superledere her.
Permanente magneter er en analog lav-teknologi. De fremstilles ved at magnetisere et materiale, der efterfølgende forbliver magnetisk i lang tid. Læs mere om magneter her.
Andet teknologi eller udstyr, der bruges i forsøget, er en Dewar termobeholder.
Prøv at udføre forsøget med magneter af forskellig styrke. Din variabel er magnetens styrke.
Virkningsfuld kompetenceorienteret naturfagsundervisning indeholder bl.a. elementer af problembaseret og elevstyret undervisning. Et greb, du som underviser kan bruge, er at implementere åbenhed, ved at stilladsere undersøgelserne med frihedsgrader.
Problembaseret og elevstyret undervisning er kendetegnet ved, at eleverne arbejder selvstændigt med egne undersøgelser. Eleverne skal finde egne svar, og det skal ikke være givet på forhånd, hvad de skal. Eleverne skal ikke reproducere eller genskabe allerede eksisterende undersøgelser.
Som underviser udvælger du en grad af frihed samt hvilket trin, den skal implementeres i. Astra opdeler en undersøgelse i følgende seks trin, hvor du kan arbejde med implementering af frihedsgrader.