20  Tieftemperaturkalorimetrie

20.1  Lernziele

Der Versuch soll Kenntnisse der Tieftemperatur-Physik vermitteln, insbesondere kalorische Eigenschaften von Festkörpern bei tiefen Temperaturen. Darüber hinaus soll der Student den experimentellen Umgang mit tiefen Temperaturen und die Techniken der Tieftemperaturkalorimetrie kennen lernen.

20.2  Lerninhalte

1. Theorie der spezifischen Wärme von Festkörpern, Einstein-Modell, Debye-Modell, Elektronenbeitrag
2. Methoden der Erzeugung tiefer Temperaturen
3. Tieftemperaturmessung, Eichung von Thermometern
4. Prinzipieller Aufbau eines ⁴He-Glas-Kryostaten
5. Grundlagen der Vakuumtechnik, Funktionsprinzip von Drehschieber- und Turbomolekularpumpe
6. Kalorimeteraufbau nach Nernst
7. Grundkenntnisse der Supraleitung, Suprafluidität, Eigenschaften von flüssigem Helium
8. Verlauf der spezifischen Wärme in Abhängigkeit der Temperatur bei normalleitenden und supraleitenden Metallen am Beispiel von Kupfer und Vanadium.

20.3  Aufgaben

20.3.1  Erster Versuchstag

1. Verständnis der Helium-Anlage
2. Verständnis der Vakuumanlage
3. Verständnis der Meßelektronik
4. Handhabung der Apparatur und des Helium-Hebers
5. Abkühlen der Kupfer-Probe auf 4,2 K
6. Messung und Berechnung der spezifischen Wärme von Kupfer zwischen 4,2 K und ca. 40 K, Bestimmung der Debye-Temperatur und der Sommerfeld-Konstante von Kupfer.

20.3.2  Zweiter Versuchstag

1. Abkühlen der Vanadium-Probe auf ca. 2 K, beobachten des suprafluiden Heliums am λ-Punkt
2. Messung und Berechnung der spezifischen Wärme von Vanadium zwischen 2 K und ca. 12 K, Bestimmung der Sprungtemperatur von Vanadium.

20.4  Literatur

Ch. Weissmantel, C. Hahmann

Grundlagen der Festkörperphysik

Ch. Kittel

Einführung in die Festkörperphysik

W. Braunbeck

Wenn selbst Atome ausfrieren

J. Wilks

An Introduction to Liquid Helium

W. Buckel

Supraleitung

A. Kent

Experimental low-temperaturephysics

H. Frey, R. A. Haefer

Tieftemperaturtechnologie

F. Kohlrausch

Praktische Physik I

F. Henning, H. Moser

Temperaturmessung

F. X. Eder

Moderne Meßmethoden der Physik

F. X. Eder

Arbeitsmethoden der Thermodynamik

J. P. Mc Cullough et. al.

Experimental Thermodynamics

W. Hemmiger, G. Höhne

Grundlagen der Kalorimetrie

M. Wutz, H. Adam, W. Walcher

Theorie und Praxis der Vakuumtechnik

Ausführliche Apparaturbeschreibung und Versuchsanleitung beim Assistenten

20.5  Hinweise

20.5.1  Zum Versuch:

1. Heliumheber und Kanne nur zusammen mit dem Assistenten bedienen!
2. Es darf unter keinen Umständen Luft in die Helium -Rückgewinnungsanlage gelangen
3. Der Glaskryostat (Doppel-Dewar) steht unter Vakuum. Es besteht die Gefahr der Implosion !
4. Die Turbomolekularpumpe benötigt zum Betrieb Wasserkühlung. Nach dem Abschalten Hahn wieder zudrehen!
5. Bereiten Sie für die Meßreihen Zettel vor mit genügend Platz für die Meßgrößen, während der Messung haben Sie wenig Zeit
6. Der Probenwechsel wird vom Assistenten vorgenommen.

20.5.2  Zum Protokoll:

1. Das Protokoll sollte außer den Meßergebnissen und der Auswertung einen kurzgefaßten Abriß der Lerninhalte enthalten, insbesondere all das bereitstellen, was zur Auswertung benötigt wird.
2. Ebenso eine Fehlerrechnung und Diskussion der systematischen Fehlerquellen