Zeitschriit fiir Physik, Bd. 132, S. 529--543 (1952).

Messungen im Ubergangsgebiet zur Supraleitung. !II %

Von

\~ALTHER MEISSNER, FRITZ SCHMEISSNER u n d HANS MEISSNER**

(Mitteilung der Kommission ftir Tieftemperaturforschung der Bayerischen Akademie d~r Wigg~Ii~chaften.)

Mit 9 Figuren im Text.

(Ei~gega~,zgen am 91. Apri l 1982.)

Es wird im Iolgenden fiber die Fortsetzung der Untersuchungen der Feldverst~r- kung x berichtet, die im t3bergangsgebiet zur Supraleitung in einem stabf6rmigen Supraleiter auftritt, wenn dieser gleichzeitig einem longitudinalen Magnetfeld und einem starken Belastungsstrom ausgesetzt ist. Zun/ichst wurden dabei zur Kon- trolle der ballistischen Messungen Iluxmetrische Registrierungen des Induktions-

flusses vorgenommen. Um die Frage nach der Ursache der Verst~rkung des magnetisehen Flusses zu entscheiden, wurde all Quecksilberhohlzylindern der InduktionsfluB in der Bob- rung sowie im gesamten Querschnitt gemessen. Es zeigte sich, dab auch in der Bohrung Feldverstiirkung auftritt, d.h., dab die Feldverst~rkung durch eine zirkulare Komponente des Belastungsstroms und nicht dutch eine Votumenmagne- tisierung hervorgerufen wird. Fiir die Bohrung ist di~ GrenzstromstSxke Null, d.h. es t r i t t auch schon bet sehr schwachen Str6men eine, ailerdings sehr kleine Feldverst/irkung in der Bohrung auf. Eine~ ]3est/itigung ffir die zirkulare Strom- komponente ist Ierner, dab die Feldverst~rkung bereits durch einen L~ngsschlitz im Hoblzylinder verhindert wird. Dasselbe gilt auch ffir geschlitzte Vollzylinder. Der Vergleich yon geschlitzten und ungesehlitzten Proben ergibt ferner, dab das Maximum der Feldverst~rkung dann auftritt, wenn bet sinkender Temperatur die bereits gebildeten einzelnen snpraleitenden Bereiche anfangen, sich zusammenzu- schliegen, worauf dann innerhalb eines sehr kleinen Temperaturintervalls die ganze Probe supraleitend wird. Dies ist in ~bereinstimmung mit dem yon uns in II gemessenen Verlauf des Widerstandsabfalls. Der Prozentsatz der bis zu ihrem plStzliehen ZusammenschluB gebildeten supraleitenden t3ereiebe l~13t sieh angenXhert aus den Messungen entnehmen und seheint nahezu unabh/ingig vom 13elastungs-

strom zu sein. Schliel31ich wurden noch drei massive, nicht sehr reine Tantalproben untersucht. Die Feldverst~rkung war ebenfalls zu beobachten, betrug jedoch nut etwa den zehnten Teil der bet Quecksilber beobachteten. ]3el dem unreinen Tantal konnten keine sicheren Werte ffir die Grenzstromst/irke und den charakteristischen Faktor ~J

gewonnen werden.

* Vgl. die vorlXufigen Mitteilungen yon W. iu in den Sitzungen der Bayerischen Akademie der Wissenschaften am t i . t. 1952 und 2.5. 1952 (Sitzungs- berichte t952).

** An den Messungen mad der Diskussion derselben war teilweise schon der neue wissenschaftliche Mitarbeiter der Kommission, Herr M. 2q.X.BAUI~R beteiligt.

1MEISSNER, W., F. SCB~EISSNER U. H. MEISSNER: Z. Physik 130, 529 (1951). 3/Iessungen im Obergangsgebiet zur Supraleitung II, zitiert als II.

Zeitschrift f/it Physik. Bd. 132. 3~

530 WALTHER MEISSNER, FRITZ SCHNIEISSNER und HANS MEISSNER:

I . F l u x m e t r i s c h e Reg i s t r i e ru W des l ong i tud ina l en F l u s s e s

i n V o l l z y l i n d e m .

Die Versuchsanordnung war die g!eiche, wie sie in Fig. 1 der Arbeit n gezeigt ist. Der stabf6rmige Suprateiter war in einem Kupferrohr mon- tiert, das gleichzeitig als Stromrttckffihrung diente und zur Herab- setzung von Wirbelstr6men der Lgnge hack geschlitzt war. Direkt auf das Kupferrohr war die Feldspule aufgewickelt. Auf den Supraleiter

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a.) 1" Aus . . ~ , , ~ - ' - u ~ - ' A , ~ . ~ , ~ . . - ~ . . u .e.., 6'0 sec

n.L . _ , . . . . . s .L ~z.Z. 1 . . . . . . . . . . . : . . . . r r ' r " . ,,l!.ti" "" b) ~ . , ~ . ~ '~ ' , ' " ' - , - , , / ~ ! , : 7 . . . . . . . . . . . . . . .

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�9 Ve~ geeo J, ese s, eeo ~ Fig. t a--e . Fluxmetrische Registriemng des longitudinalen Flusses beim dauernden gin- und Ausschalten bzw. Kommutieren des Feldes H. PoIykristalline Sn-Probe I I : D = 8,4 m m ~, H = 2 0 e , arsn = 18 Amp.

Zuordnung Feldrichtung~Stmm.richtung : I /1 : j 4.$ H I /2 : ].I.'~ H

I I / l : J ).~ H I I /2 : J ) ~ H .

a) Stromrichtung I, Feldriehtung l - -Aus b) Stromxichtung II , Feldrichtung t --Aug c) Stromrichtung I, Feldriehtung t - -Aus- -2 , gelegentllch auch

Feldriehtung t - - 2 (kommutiert). n3. = normalleitend~ s . l = supraleitend.

waren meist zwei Induktionsspulen aufgewickelt: Eine Induktionsspule mit 190 cm ~ Gesamtwindungsfl~che zur ballistischen Messung und eine mit 4250 cm ~ Gesamtwindungsfl~che zur fluxmetrischen Registrierung. Die ganze Anordnung befand sich in einem Bad mit fliissigem Helium, das seinerseits von einem Fliissigen-Luft-Bad umgeben war. Das Erdfeld wurde mit zwei Paar HELMI-IOLTz-Spulen soweit als m6glich kompensiert.

Als Fluxmeter d iente wieder wie in II ein SIEMENSsChes Super 7 galvanometer, wobei die Induktionsspule an die 12 ~-Wicklung des Systems angeschlossen war, wahrend die 450 ~-Wicklung zur D~tmpfung kurzgeschlossen wurde.

Zun~tchst wurden die fluxmetrischen Registrieraufnahmen bei kon- stant gehaltenem Feld und Belastungsstrom und langsam ver~tnderter Temperatur an Zinn- und Quecksilbervollzylindern, wie sie ill II be- schrieben sind, wiederholt (vgl. Fig. 8 der Arbeit n) und dabei lest-

Messungen im I3bergangsgebie~c zur Supraleitnng. III. 531

gestellt, dab sich die FluBverst~trkung beliebig lange aufrecht erhalten l~iBt, wenn es nut gelingt, die Temperatur geniigend konstant zu halten.

Weiterhin wurde der zeitliche Verlauf des Induktionsflusses beim Einschalten, Ausschalten und Kommutieren an der schon in II unter- suchten polykristallinen Sn-Probe 8,4 mm Durchmesser weiter verfolgt. Fig. t zeigt drei Fluxmeterregistrierungen. Dabei ~mrde das Feld yon Hand geschaltet, wobei fiber einen Spiegel gleichzeitig mit der Regi- strierung beobachtet und immer dann geschaltet wurde, wenn angenom- men werden konnte, dab der Endausschlag des Fluxmeters erreicht war. Um gleichzeitig eine Zeitmarke zu haben, blendete ein Metronom alle Sekhnden abweehselnd 1/inger und ktirzer den Liehtstrahl ab. Da jedoeh diese ,,zerhackten" Registrierungen un- iibersichtlich sind, wurde sptiter nur jeweils am Anfang jedes Registrier- streifens bei ruhendem Lichtzeiger das Metronom in Gang gesetzt.

Zum besseren Verst~indnis ist in Fig. 2 ein Teil der Registrierkurve I a schematisch stark vergr613ert darge- stellt. Bei e wird das Feld eingeschaltet, wobei der Lichtzeiger nach e' springt ; die Linie e--e' ist im Oszillogramm

8 e e Fig. 2. Aussehni t t aus de r Reg i s t r i e rkurve Fig. ~ a schematisch, e - - e ' = E inscha l tvor - gang; a - - e = Ausscha l tvorgang; ~ r = i m

Felcl H = 0 e ingefrorener FluB; ~ = 0 F l u x m e t e r s t d l u n g beim Flul3 Null ,

wegen der Schnelligkeit der Lichtzeigerbewegung nicht zu erkennen. Bei a wird das Feld wieder abgeschaltet, wobei der Lichtzeiger an- f~nglich so schnell nach unten wandert, dab dieser Teil ebenfatls nicht zu erkennen ist. Auf dem unteren (langsamer verlaufenden Tell) der Kurve a - - e sind die Lichtzeigerunterbrechungen durch das Metro- nora erkennbar. Die die Punkte e verbindende Begrenzungskurve (FluB heim Feld H = 0) ist nachtr~glich eingezeichnet, ebenso die Kurve f~ir den FluB ~b = 0.

In Fig. t a wurde bei Stromrichtung I das Feld dauernd in Rich- tung t e i n - und ausgeschaltet ( J~H) . Im normalleitenden Zustand (n. 1.) folgt der InduktionsfluB augenblicklich dem Schalten des Feldes. Mit sinkender Temperatur Wird der maximal auftretende FlnI3 immer gr6Ber, d.h., es tr i t t Feldverst~trkung auf. Beim Einschalten folgt auch bier der FluB dem Schalten augenblicklich, dagegen tr i t t er beim Ausschalten nur sehr langsam aus. AuBerdem bleibt ein Teil des Flusses ,,eingefroren". Erst nach der , , Sp i t ze" t r i t t auch beim Einschalten der FluB nut lang- sam in den Supraleiter ein. Im v611ig supraleitenden Zustand (s. 1.) gndert sich der FluB beim Schalten nut noch in dem auBerhalb des Supraleiters liegenden Tell des Windungsraumes und folgt hier natiirlich dem Schalten augenblicklich. Der anschlieBend erfolgende {3bergang s.1. --> n. !. zeigt denselben Charakter. Zu bemerken ist, dab die Temperatur zum Durch-

35*

53~, WALTHER.MEISSNER, FRITZ SCHMEISSNER und HANS ~[EISSNER ~.

laufen des ganzen t~lberganges n. 1.-+ s. 1. nur um etwa 0,0t~ ge~ndert wurde (vgl. Fig. I c), was in ~bereinstimmung mit Fig. 3 und 7 in II ist.

Fig. I b zeigt denselben Vorgang bei anderer Richtung des Belastungs- stromes. Eigenartigerweise bleibt hier zeitweilig beim Abschaaten ein dem ursprtinglichen FluB entgegengerichteter Induktionsflul3 zurtick.

In Fig. 1 c ist bei Stromriehtung I des Belastungsstromes das Feld kommutiert worden, wobei im allgemeinen der Kommutator in der ,,Aus-Stellung" angehalten wurde. Gelegentlich wurde jedoch auch direkt durchkommutiert. Qualitativ kann man sich die Registrierkurve aus Fig. t a u. b zusammengesetzt denken. Daraus, dab die ,,negative Spitze" jetzt such bei Stromrichtung I, Feldrichtung 2 auftritt (J~H), kann man schlieBen, dab sie nicht durch eine besonders orientierte Inhomogenit/it des Materials hervorgerufen ist, sondern offenbar nur daran gebunden ist, da~3 J antiparallel zu H ist. Dartiber hinaus sieht man sehr deutlich, daB, wie schon in II bemerkt wurde, ein etwa einge- frorenes Restfeld beim Kommutieren zerst6rt wird. Allerdings kann, wie Messungen an Hohlzylindern zeigten, der Wert des eingefrorenen Feldes nieht aus den Messungen bei dauerndem Ein- und Ausschalten ermittelt werden, da such w/ihrend der Ausschaltperiode eine Abktihlung erfolgt und infolgedessen w/ihrend dieser Zeit j a k e i n Feld einfrieren kann. Man erh/ilt daher einen kleineren Wert des eingefrorenen Rest- feldes, als er bei dauernd eingeschaltetem Feld beobachtet werden wtirde.

Kommutiert man direkt durch, so folgt im allgemeinen der FluB dem Feld sofort. Erst dieht am rein supraleitenden Zustand erfolgt die 24_nderung des Flusses merklieh langsamer Ms die ~nderung des Feldes. Das bedeutet, dab unsere ballistischen Messungen der Spitze noch richtig sind, jedoch der Abfall nach der Supraleitung zu nicht ganz so steil ist, wie die Fig. 3 und 7 in II zeigen.

Der Unterschied des bMlistischen Ausschlages beim Einschalten, Aus- schalten und Kommutieren, der in Fig. 7 in II gezeigt wurde, erkl~irt sich sofort, wenn man weiB, dab bei diesen Messungen beim Einschalten bzw. Ausschalten die Feldrichtung der Stromrichtung entgegengesetzt war. Die hohe Spitze beim Einschalten ist n/imlieh nicht die Stelle, wo der grSl3te Flul3 auftritt, sondern die Stelle, Wo die ,,negative Spitze" in Fig. I b auftritt. Bei erneuter Durchsieht des damaligen Megprotokolls zeigte sich in der Tat, dab die ,,Spitze" beim Einschalten bei etwas h6herer Temperatur (0,002 ~ Ms beim Kommutieren beobachtet wurde. Jedoch ist die Temperaturdifferenz so gering, dab sie damals nicht als reell angesehen wurde. DaB beim Ausschalten viel niedrigere Maxima beobaehtet wurden, is tnach den jetzigen Registrierkurven durchaus ver- st/indlich.

Wenn man berticksichtigt, dab sich die ganzen Vorg~inge im Zwischen- zustand abspielen, so kann man den Unterschied des Einsehalt- und

M e s s u n g e n i m l~'bergangsgebiet z u r S u p r a l e i t u n g . III . 533

Ausschaltvorganges leicht erkl~iren : Beim Ausschalten w~ichst der AnteiI der supraleitenden Bereiche, der Anteil der normalleitenden Bereiche wird dementsprechend kleiner, infolgedessen klingen die induzierten Wirbelstr6me langsam ab, das Feld tritt langsam aus. Beim Einschalten sinkt der Anteil der supraleitenden Bereiche, das Feld tritt schnell ein. Ftir das Auftreten der ,,negativen Spitze", d.h. eines nach Abschalten des ~tuBeren Feldes zeitweilig auftretenden, dem ursprfinglichen Feld entgegengesetzten Flusses, kann bier keine Erkl~rung gegeben werden.

21tom- feN- r,iehfung

7 a) Z ~ u s -

n.Z. s.Z. n .L

r . . . . . . if, ........................... ~ Y:--:-22222_--_:: . . . . ============================ ~ l ~ ~ , ,

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Fig. 3 a--c. Fluxmetrische Registrierung des longitudinalen Flusses beinl dauernden Eii1- und Ausschalten bzw. Kommutieren des Feldes H. Hg-Probe IV: D = 8,75 m m 2~, H = 2,0 O% JHg = 10 Amp.

a) Stromrichtung I, Feldrichtulag l--.&us b) Stromfichtung II , Feldrichtung t - -Aus c) Stromrichtung II , Feldrichtung l - -Aus--2 , gelegentlich auch

Feldrichtung t - - 2

Zuordnung Feldriehtung--Stromrichtung wie bi Fig. I.

Da sie bei reinen Quecksilberproben nicht auftrat und somit als Neben- effekt angesehen werden kann, haben wir die Erscheinung nieht weiter verfolgt.

Fig. 3 zeigt die der Fig. t entsprechenden Registrierkurven an der Quecksilberprobe IV. Diese Probe befand sieh in der gleichen Hfille wie die als Probe II in der Arbeit II untersuehte, jedoch wurde die Quecksilberfiillung erneuert, da sich das Quecksilber in der Zwischen- zeit m6glieherweise yon den Elektroden her verunreinigt haben konnte. Ihre Daten sind: Durchmesser D=8,75 mm, L~inge L = 6 5 mm. Aus R0oc~]~ssjg=9,t 3 �9 t0-4f2 und R4,~K=3,97" lO-Tf~ errechnet sich n a c h KAMERLINGI-I -ONNES u n d G . H O L S T 1 : R 0 ~ c test = R0o c fitissig/5,0 =

1,83-t0-~f~ und mit rred4,2oK=0,0020 und %eob4,~OK=0,0022 der Restwiderstandskoeffizient z = 0,0002.

x K A M E R L I N G H - O N N E S , l-I., U. G . I - IoLsT : C o m m u n . P h y s . L a b . U n i v . L e i d e n 1914, N-r. 142a . .

5 3 4 WALTHER MEISSNER, FRITZ SCI-IMEISSNER u n d HANS MEISSNER:

Es zeigte sich, dab bei diesem sehr reinen Quecksilber keirt Feld einge- froren bleibt und dab ferner die Ausschaltvorg~tnge im allgemeinen schneller verlaufen als beim Zinn (die dauernde Zeitmarkenausblendung des Licht- strahles warde bier aus Grfinden der ~bersichtlichkeit fortgelassen).

Hg ~Z B

32

!

67 _ . H~

J Fig. 4. Quecksilberhohlzylinder im Schnit% (schematisch, Lfinge ver- kfirzt gezeichnet), b~ Induktionsspule zur lluxmetrischen Registrierung des Gesamtflusses; a I Induktionsspule zur ballistischen Messung des Ge- samtflusses; b2 Ixlduktionsspule zur fluxmetrischen Registrierung des Flusses in der Bohrung; a2 Induk- tionsspule zur baUistischen Messung

des Flusses in der Bohnlng.

Bereits am 15.3. 195t wurde versucht, stat t das Magnetfeld dauernd zu kommu- tieren, ein 50periodiges Wechselfeld anzu- wenden. Dabei ergab sich nur der normale Verdr/ingungseffekt, jedoch keine Feldver- st~irkung. Zu demselben Ergebnis kamen A. A. GALKIN, Ja. SS. t{ATZ und B. G. LASAREW 1. Unser damaliges Resultat ist jetzt verst~tnd- lich, da die durch unsere fluxmetrischen Messungen festgestellten Zeiteffekte bei dem 50periodigen Umschalten sich sehr stark aus- wirken mfissen.

II. Fluxmetrische Registrierung des longitudinalen Flusses

in Quecksilberhohlzylindern. Fig. 4 zeigt die Anordnung des Hohl-

zylinders mit den Induktionsspulen. Zur Messung des Gesamtflusses waren aul3en zwei Induktionsspulen a 1 und b 1 mit 190 bzw. 4250 cmz Windungsfl~tche aufgewickelt. Zur Messung des Flusses in der Bohrung waren auf einen Spulenk6rper zwei Induktions- spulen a s und b~ aufgewickelt, die ebenfalls t90 bzw. 4250 cm ~ Windungsfl~iche hatten. Die Probe befand sich wieder in dem konzen- trischen Kupferrohr, das als Stromrtickffih- rung und Tr~ger ftir die Feldspule diente. Verwendet warden zwei Proben:

Hg-Probe V: Quecksilberaul3endurchmesser Da=8,75mm, Bohrung Di = 5,25 mm, L~tnge L = 65 mm. Aus R0oc fl/issig = 14,99" 10 -~ f2 und R4,2 o i~ : 6 , 1 9 " t0 -v f2 errechnet sich wie oben bei der Hg-Probe IV far den Restwiderstandskoeffizienten z = 4- 10 -5. Wegen des kleinen Innen- durchmessers trug diese Probe im Innern nur eine Induktionsspule ae und konnte daher nut zu 'ballistischen Messungen verwendet werden.

Hg-Probe VI: Quecksilberaul3endurchmesser D~ = t6,2mm, Bohrung D~=9,7mm, L~inge L = 6 5 mm. Aus Roocfl~ssig:0,784. t 0 - 4 ~ und

1 GALKIN, A . ~A~., JA. Ss . KATZ U. B . G. LASAREW: J . e x p . theoretc . P h y s i k

20, 865 (195o) .

Messungen im Obergangsgebiet zur Supraleitung. III. 535

R~,~oIr " l O - ~ f l ergibt sich analog zu oben z=0,0001. Diese Probe wurde vornehmlieh zur fluxmetrischen Registrierung verwendet.

Fig. 5 zeigt die fiuxmetrische Registrierung des longitudinalen Flusses an der Hg-Probe VI bei einem ~iuBeren Feld yon H = 2 0 e und einem Belastungsstrom yon JHg = 20 Amp. Zur Eichung wurde im normalleiten- den Zustand (n.1.) bei a 1 das Feld mehrmals kurz ab- und wieder ein- geschaltet, desgleichen im supraleitenden (s. 1.) Zustand (a2, aa), eventuell nochmals im normalleitenden Zustand (%). In Fig. 5 a ist mit der aul3en

~e/rom- feld- f/ch/unff 7Z.Z.

l - - . . .ad . . . . a) I

s.Z. 7z.L ~ . _ a ' z ~zs ~ . _ _

I I

•.l. ~.Z. n.L

Aus - ~ " L~

n . l s . l n .A

~2..asec , ' i

n .L . s.Z. n.L

/ u s ~ (/naen)

b) g

e) z 7

z (/nnen) -

d) z z (ou~; 7nnen A S(huBen)

Fig. 5 a- -d . Fluxmetrische Registrierung des longitudinalen Flusses an Quecksilberhohlzylindern Hg-Probe VI : Da = t6,2 m m /)i ~ 9,7 m m H = 2 O e JHg = 20 Amp

a) Messung des Gesamtflusses mit der augen aufgewickelten Induktlonsspule b; b) und c) Messung des Flusses in der Bohrung mit der innen befindliehen Induktionsspule b~; d) gleichzeitige Registrierung beider

Messungen. Zuordnung Feldrichtung--Stromrichtung s. Fig. 1. ldbrige Bezeichnungen s. Text.

aufgewickelten Induktionsspule b 1 die Anderung des Gesamtfiusses beim ~bergang zum supraleitenden Zustand registfiert worden. Bei a~ ist das Feld etwas zu frfih abgeschaltet worden, wobei ein Tell des Flusses aus der Bohrung entwichen ist, beim sofortigen Einsehalten jedoch nicht wieder eindringen konnte. Bei a~ ist nochmals kurz abgeschaltet worden, wobei sich der FluB nur noch um den auBerhalb des Queck- silbers liegenden TeU der Windungsfl~che ge~ndert hat. Die Differenz yon a 1 und a~ gibt den Flug dutch Quecksilber + Bohrung im normal- Mtenden Zustand. Im supraleitenden Zustand friert der FluB in der Bohrung ein, w/ihrend er aus dem QuecksiPoerringgebiet herausge- dr~tngt wird.

Fig. 5 b zeigt dieselbe Messung mit der in der Bohrung befindlichen Induktionsspule b 2. Wieder ist bei % etwas zu friih kurz abgeschaltet worden, wobei der gr6Bte Teil des Flusses in der Bohrung entwichen ist. Bei nochmaligem Abschalten a a ~indert er sich nicht mehr.

536 WALTHER MEISSNER, FRITZ SCHM/EISSNER und HANS MEISSNER:

Kiihlt man jedoch von vorneherein geniigend weit (etwa 0,05 ~ K) unter die dutch die ,,Spitze" gegebene Sprungtemperatur ab, so ergaben die Messungen, dab sich beim Abschalten des guBeren Feldes der FluB in der Bohrung nicht mehr ~indert. In Fig., 5 e ist dieselbe Aufnahme wiederholt worden, j edoch ohne im supraleitenden Zustand abzuschalten.

An den Aufnahmen b und c zeigt sieh: t. Auch in der Bohrung tr i t t Feldverst~irkung auf. 2. Es friert nicht der maximale FluB ein, sondern nnr der normale FluB.

Aus der ersten Beobachtung ist zu schlieBen, dab die Feldverst~rkung nur durch einen umlaufenden Strom, nicht dagegen durch eine Volumen- magnetisierung hervorgerufen sein kann. Die Tatsache, dab nicht der maximale, sondern nur der normale Flul3 einfriert, ist dadurch zu er- kl~ren, dab sick der Supraleiter an der ,,Spitze" in ~lbereinstimmung mit dem in II an Sn gemessenen Widerstandsabfall nook im gemischten Zustand befindet und erst dort die supraleitenden Bereiche anfangen, sich zusammenzuschlieBen. Trotzdem dies sehr schnell gekt, wie der Widerstandsabfall und Versuche, fiber die im n~ichsten Abscknitt be- richtet wird, zeigen, ist erst bei einer um 0,05 ~ K tieferen Temperatur der ZusammenschluB so dickt, dab beim Abschalten des Feldes kein Flug mehr entweicht. Die Beobachtung in II, dab bei massiven Proben aus polykristallinem Zinn auch ein Teil des maximalen Flusses einfriert, steht dem Obengesagten nicht unbedingt entgegen, da sich ja bei dem 0,068% Pb enthaltenden Zinn schon frtiher supraleitende Ringgebiete bilden kSnnen. Inzwischen angestellte Versuche haben ergeben, dab dieses Zinn selbst in Einkristallform keine befriedigenden Ergebnisse hinsichtlich der Bestimmung der Grenzstromst~rke gibt.

Um zu priifen, ob die maximale Feldverstgrkung in der Bohrung und im gesamten Querscknitt zu gleicher Zeit auftritt , sind in Fig. 5 d beide Registrierungen gleichzeitig vorgenommen worden. (Infolge ge- ringerer D~tmpfung ist die Empfindlichkeit des an die innere Induktions- spule b~ angeschlossenen Galvanometers etwa doppelt so groB wie die des an b 1 angeschlossenen Galvanometers.) Es zeigt sich, dab beide Spitzen recht genau bei derselben Temperatur liegen. Allerdings sind etwa 70% der Verst~trkung des Gesamtflusses durck die Verst~irkung des Flusses in der Bohrung bedingt, wodurch die Genauigkeit des Ver- gleiehs der Spitzenlage verringert wird.

I I I . Ballis~ische Messung des lor@tudinale1, Flusses in Quecksilberhohlzylinderr~.

Es wurde der ballistische Ausschlag beim Kommutieren des ~uBeren Feldes in &bhAngigkeit yon der Temperatur bei verschiedenen Feld- st~rken und verschiedenen BelastungsstrSmen an den oben erw~hnten Hohlzylindern Hg V und Hg VI gemessen.

Messungen im l~bergangsgebiet zur Supraleitung. III. 537

Von einem Ausschlag go im normalleitenden Zustand geht er mit sinkender Temperatur bei genfigender Belastungsstromst~irke fiber einen maximalen Ausschlag ~ x zu einem Ausschlag ~0o im supraleitenden Zustand tiber (vgl. Fig. 3 der II. Arbeit und Fig. 7 dieser Arbeit). Die Messungen wurden sowohl ffir den gesamten Querschnitt der Probe mit der Induktionsspule a 1 (vgl. Fig. 4) als auch ffir die Bohrung allein mit der Induktionsspule a 2 vorgenommen. Bei Messung ill der Bohrung ist % o = 0 , da ein toter Windungsraum wie bei der auBen aufgewickelten Induktionsspule nicht vorhanden ist. Die scheinbare, maximal anf- tretende Permeabilit~it ergibt sich wie in der II. Arbeit zu

(ZO - - ~ 0 0

In Fig. 6 ist ~ als Funktion des Belastungsstromes Jug fiir die beiden Hg-Proben V und VI (vgl. Abschnitt II) aufgetragen und zwar sowohl fiir Messung in der Bohrung (,,innen") als auch ffir Messung fiber den gesamten Querschnitt (,,anBen").

Es zeigte sick, dab in der Bohrung schon bei sehr kleinen Belastungs- str6men eine, allerdings noch sehr kleine Feldverst~irkung auftritt, da/3 also die Gremstromstdrke Jg= o ist. Nit steigendem Belastungsstrom n~ihert sich ~ = F (J) asymptotisch Geraden, wie sie fiir voile Proben erhalten werden (vgl. Fig. 4 der II. Arbeit).

Im gesamten Quersehnitt trit t stets erst oberhalb einer bestimmten Mindeststromst~rke J0 eine Verst~irkung des Induktionsfiusses auf. ~ ist wie bei vollen Proben eine lineare Funktion des Belastungsstromes.

Bei beiden Messungen ergibt sich wieder, wie in II an vollen Proben beobachtet wurde, an verschiedenen Met3tagen eine verschiedene Stei- gung der Kurven /~ = F (J). Ffir die Messung in der Bohrung 5ndert sick der Einmfindungspunkt Jo der Asymptoten in die Abszissenachse offenbar nicht, sehr wohl dagegen bei Messung des Induktionsflusses im ganzen Querschnitt, weswegen hier J0 mit einer gewissen Unsicherheit behaftet ist.

Die tats~ichlich auftretende Feldverst~irkung ist sowohl in der Bohrung als auch fiber dem ganzen Quersehnitt bei Probe V etwa doppelt so grol3 wie bei Probe VI.

Ebenso wie in der Arbeit II an vollen Proben beobaehtet wurde, seheint aueh bier die maximal zusiitzlick auffretende Induktion A B ~- ( ,~-- I )H nur yon J - J o , nieht dagegen von H abzuhiingen, wobei allerdings ein yon Megtag zu MeBtag wechselnder Proportionalit~its- faktor eingeht, weswegen noch keine eindeutigen Schliisse gezogen werden konnten.

Man kann die Mindeststromst~irken Jo, die sich bei der Messung in der Bohrung aus den Einmfindungspunkten der Asymptoten an die

5 3 8 W A L T H E R M:EISSNER, F R I T Z SCItM]~:ISSNER u n d H A N S M E I S S N E R :

Kurven/~ = F (J), bei Messung fiber den ganzen Querschnitt direkt aus = F ( J ) ergeben, als Funktion der Feldst~rke H ffir die beiden Hg-

Proben V und VI au~tragen; /ihnlich wie das in Fig. 5 der II. Arbeit

e,o I

s,o

-~ 3,o

e.

% 2,O

,,0;

2

I'lg-Pmbe g/nnen

II= ~ a,5

4s

7,5

s 1o zsA i,o)

H~-P:,obe P'auBen t/= as ~5

//;10o "

5 7o lsA 7,o~

Htj-Probe PZ innen

zyOe

o,

5 ZO ZSA

Hg-Pmbe ~uuBen

!

Oe

/ ,// , . .-I ' , , 5 ~ ~A

Bela~lunjsslPom Z~ig

Fig. 6. Scheinbare maximale Permeabilit~t/~ = c~max -- c~0o in Abh~ngigkeit yon Belastungs~trom ]Hg und ~xo -- (xo o

Feldst~rke H an Quecksilberhohlzylindem gemessen.

Hg-Probe V: Do = 8,75 mm Di = 5,25 mm Hg-Probe VI: Da = t6,2 mm D~ = 9,7 mm

,,innen" = Messung des Flusses in der Bohrung ,,aul3en" = Messung des Flusses im ganzcn Qucrschnits

X - - X MeBpunkte am 24. t l . t95t gemessen o - - o MeBpunkte am t9 .42 . ~95t gemessen �9 �9 Megpunkte am 29. ~. 1952 gemessen.

Beachte den verschiedenen OrdlnatenmaBstab bei V und VI [

ffir voile Proben getan ist. Da die Verh~iltnisse jedoch etwas untiber- sichtlick sind und auch die Gr6Be der durch wechsehlde Kristallorien- tierung usw. bedingten systemafischen MeBungenauigkeit in diesem Fall nicht bekannt ist, sou auf die Wiedergabe bier verzichtet werden.

Ftir den ganzen Querschnitt der durchbohrten Probe ergibt sich ein deutlich niedrigerer Wert (etwa 1,2 Amp) ffir die Grenzstromst/irke Jg als

Messungen im l~bergangsgebiet zur Supraleitung. III. ~ 9

ffir die volle Probe (t ,7Amp). Das ist verst~indlich, da ja in der Bohrung schon bei kleineren Stromst~irkei1 FeldverstXrkung auftritt.

Die aus den Asymptoten ermittelten Jo-Werte entsprechen bei ProbeVI einer vollen Probe vom Durchmesser der Bohrung, w~hrend dies Itir Probe V Ilicht zutrifft.

IV. Ballistische Messung des longitudinalen Flusses an gesehlitzten Quecksilberproben.

Um einen weiteren Beweis zu haben, daB die Feldverst~rkung tat- s~ichlich durck eine zirkulare Stromkomponente hervorgerufen wird, haben wir zwei Quecksilberproben untersucht, die in den ~tuBeren Dimensionen der Probe Hg V ent- sprechen: D~----8,75 mm, D i = 5,25 mm, L = 65 mm, jedoch einen (Hg VII) bzw. vier (Hg VIII) ra- diale, ebene L~ingsschlitze batten.

Es wurde der longitudinale FluB in der Bohrung und im Ge- samtquerschnitt in einem ~tugeren longitudinalen Feld von 2,00e bei einem Belastungsstrom yon 10 Amp als Funktion der Temperatur bal- listisch gemessen.

In der Bohrung sowohl der ein- real, als auch der viermal geschlitz- ten Probe dnderte sich der Induk~ tions/lu]3 im ~Tbergangsgebiet zur Supraleitung um weniger als 1%.

~s

o,5

a

/

~I< b

goT- ~,1o 4,)5 ~ ~,2o Tempera~up T

Fig. 7. Ballistische Messung des longitudinalen In- duktionsflusses an Queeksilberhohlzylindern (De, =

8,75 ram, D i = 5,25 ram, L = 6 5 mm) in Abh~ingig- keit yon tier Temperatur. Feld: H = 2 , 0 O e ; Be- lastungsstrom JHg = 10 Amp. a ungesehlitzte Probe HgV: ; b einmal bzw. viermal gesehlitzte

Probe Hg VII bzw. Hg VIII : - - - - - - .

Die entsprechende Messung des Induktionsflusses im ganzen Quer- schnitt zeigt Fig. 7. Es wurden jeweils nacheinander die ungeschlitzte Probe Hg V und die geschlitzte Probe Hg VII bzw. Hg VIII untersucht. Die einmal und die viermal geschlitzte Probe ergaben so dicht beein- anderliegende MeBwerte, dab nur eir~ (gestrichelter) Kurvenzug fiir beide Proben eingetragen ist. Um einen besseren Vergleich zu haben, wurde nicht der ballistische Ausschlag selbst, sondern c~/~ o (~o = Ausschlag im normalleitenden Zustand) aufgetragen. In dem Temperaturgebiet, in dem an der ungeschlitzten Probe dieser Ausschlag mit sinkender Tempe- ratur his zu einem Maximum gm~x ansteigt, f~llt der Ausschlag an den ungeschlitzten Proben zunXchst um etwa 20% und nimmt dann einen konstanten Wert a,~ an. Sehr genau bei derselben Temperatur Iallen dann beide Ausschl~ige rasch ab und nehmen im v611ig supraleitenden Zustand einen Wert ~00 an. Ffir die ungeschlitzte Probe Hg V ist dieser

5 4 0 WALTttER MEISSNER, FRITZ SCI-tMEISSNER und IIANS MEISSNER:

Ausschlag ~-00 kleiner als ffir die geschlitzten Proben, da der Flu]3 in der Bohrung der ungeschlitzten Probe sich beira Koramutieren nicht ~ndern kann. Bei den geschlitzten Proben ~ndert er sich dagegen genau so wie in dem aulgerhalb der Probe liegenden Teil des Windungsrauraes.

Der prozentuale Abfall am,,Absatz", r~ ~ t 00. s~ - ~'~ %, ist ein MM3 0r - - ~Z00

ftir die Menge der an diesera Punkt gebildeten supraleitenden Bereiche. Allerdings darf man diesen Prozentsatz nicht so ohne weiteres rait dem Volumenprozentsatz der supraleitenden Bereiche identifizieren. Dies ist in Strenge nur ra6glich, wenn die Probe gentigend lang ist und der supraleitende Teil sich als ein Hohlzylinder urn die Bohrung herura- legt, was aber in Wirklichkeit sicher nicht der Fall ist.

Bei anderer Verteilung der supraleitenden Bereiche ist der Prozent- satz des verdr~tngten Flusses sicher kleiner als der Prozentsatz des Voluraens der supraleitenden Bereiche. Er stellt also nur eine untere Grenze ffir den letzteren dar.

Dagegen erscheint die Annahrae gerechtfertigt, dal3 Zahl, Form und GrSlge der supraleitenden Bereiche bei der geschlitzten und ungeschlitzten Probe n~herungsweise dieselben sind, so dab man aus den geschlitzten Proben Rttckschlfisse auf die ungeschlitzten Proben ziehen kann.

Da jedoch die Verh~ltnisse bei den Hohlzylindern, wie der vorher- gehende Abschnitt gezeigt hat, ctwas untibersichtlich sind, haben wir noch Quecksilbervollzylinder untersucht, die durch einen durch die Achse gehenden ebenen Schlitz in zwei Halbzylinder unterteilt waren.

Es wurden zwei Proben hergestellt: Probe Hg X hatte einen Durch- messer yon 8,75 ram und eine L~tnge yon etwa 70 tara, Probe Hg XI einen Durchraesser yon t4,75 rata; sie war ebenfalls 70 tara lang. Zum Vergleich wurde eine nieht geschlitzte Probe Hg IX rait untersucht. Die Hfille dieser Probe ist die gleiche wie bei der als Hg II in der II. Ar- beit und oben als Hg IV untersuchten Probe. Jedoch wurde wiederum die Quecksilberf~llung erneuert. Die Bestiraraung des Restwiderstandes ftihrte zu den gleichen Werten wie in Abschnitt I.

An dell gescb_litzten Proben wurde, genau wie es in der II. Arbeit beschrieben worden ist, de r longitudinale InduktionsfluB als Funktion der Teraperatur bei verschiedenen Feldst~rken und BelastungsstrSraen ballistisch geraessen.

Fig. 8 zeigt eine solche Melgserie an der Probe Hg X ira Feld yon H : 2 ,00e fiir Belastungsstr6me zwischen 0 und 20 Amp.

An Stelle der frfiher auftretenden ,,Spitze" wurde auch jetzt stets ein ,,Absatz" beobachtet. Jedoch ist dieser auch bei hohen Strora- st/irken nicht so ausgepr/igt wie bei den Messungen an den hohlzylindri- schen Proben Hg VU und Hg VIII. Der prozentuale Abfall bis zura Absatz betr~gt in Fig. 8 fast unabh~ngig von der Stromstfirke etwa n ~ t3 %.

M e s s u n g e n i m ~ b e r g a n g s g e b i e ~ c z u r S u p r a l e i t u n g . I I I . ~ 1

I m allgemeinen scheint er aber mit steigender Belastungsstromstgrke zu wachsen. Solche Mel3reihen wurden am 6.3. 1952 ftir beide Proben Hg X und Hg XI ffir die Feldst~rken 0,5 und 2 0 e , am t2 .3 . 1952 fiir die Feldst~rken 2 sowie 4 und 6 0 e aufgenommen. Bei beiden Proben war der prozentuale Abfall am Absatz am 2. MeBtag bei 2 0 e kleiner als am ersten MeBtag. Es konnte aueh leider kein eindeutiger Gang des Prozentsatzes mit der Feldstiirke festgestellt werden. Bessere Ergeb- nisse k6nnen in dieser Hinsicht erst erwartet werden, wenn Mes- ~2a| - sungen an anderen gent~gend l i reinen Metallen vorliegen, die lao

beim Erw~trmen auf Zimmer- temperatur nicht wie Queeksilber m~- jedesmal schmelzen, e !

V. Messungen an Tantal . "~

Zur Verffigung standen drei Proben aus nicht sehr reinem ea Tantal der Heraeus-Vakuum- schmelze, Hanau, die nach An- gabe der Firma bis zu 2% Nb enthatten.

Die Dimensionen der Proben waren: T a I : D = 2 , 0 m m , L = 70ram, Ta I I : D = 5,0mm, L = 70ram, T a I I I : D = t0 ,0mm, L = 70 ram. An der Probe I I wa- ren Potentialdr'ahte angebracht. Ihr Widerstand am Eispunkt

2a

I i I

I

..... S;3-:t#~r--[ ..... . i " /-" / t / ..... " r r f

I I

0 I 1 I I [

Tempera/vr T Fig. 8. Ballistisclae Messung des longi tudinalen In- duktionsflusses an geschlitzten Quecksilbervollzylin- dern. Hg-Probe X : D = 8 , 7 7 m m N, H = 2 , 0 O e .

Belas tungss t rom JH~: - - 0; - - - - - - 5 ; . . . . 7,5; . . . . . . t 0 ; . . . . . t 5 ;

20 Amp.

betrug 4,80" t0-4f1, der Restwiderstand 9,0% davon. Ftir die anderen Proben dfirfte der prozentuale Restwiderstand ~thnlicls sein.

Es wurden die gleichen systematischen Messungen der maximal auf- tretenden Feldverst~trkung in Abh~ngigkeit von Probendurchmesser, Feldst/irke und Belastungsstrom vorgenommen, wie sie in der II . Arbeit an Quecksilber beschrieben sind.

Dabei erwies sictt jedoch das Material als zu unrein, um brauch- bare Ergebnisse zu erhalten. Bei der Probe I war die durch den Be- lastungsstrom entwickelte JovLEsche Wiirme infolge des hohen Wider- standes so grol3, dab fiberhaupt keine brauchbaren Messungen m6glich waren. Jedoell wurde noch deutlich Feldverst~trkung beobachtet, die aber bei gr613eren Stromst~irken wieder verschwand.

Auch bei Probe I I und I I I war die Feldverstfirkung wesentlich kleiner (,~ - - t ~ 0,t bei J - J 0 ~ 5 Amp) als bei Quecksilber und Zinn. Sie zeigte

~ 4 ~ WALTHER MEISSNI~R, ]FRITZ SCtlMEISSNER u n d HANS MEISSNER:

jedoeh den gewohnten Gang, so dab die Mindeststromstfirken Jo ffir jede Feldst/irke ermittelt werden konnten. Eigenartigerweise wechselte auch hier die Steigung der ~ =F(J)-Kurven yon Versuch zu Versuch.

In Fig. 9 ist ~ als Funktion des Belastungsstromes JT, nach den Messungen am t4. 8. 1951 aufgetragen, Tr~igt man die daraus sich er- gebenden Jo als Funktion der Feldst~trke auf, so erMlt man fiir ver- sehwindende Feldst~irke eine Grenzstromst~irke j 'g= 0~SAmp, einen eha- rakteristischen Faktor ~* = f - - fz/H. d. ~ = 0,20. Ftir die Probe II ergibt sich jedoch Jg = 2,2Amp und ~* = 0,27. Da bei sehr reinen Metallen ftir

die Grenzstromst~irke nut ganze

I

I, oo~ 75A

H- 9,5 2,0 ~,o Oe

5 70 3e/~stoz~ss/ro~ IT~

Fig. 9. Seheinbare maximale Permeabilit~it ~ yon Tantal in Abh~ingigkeJt yon Belastungsstrom J~ra und

Feldst~irlce H; Ta-Probe III: D = t0 mm ~.

Vielfache von 0,6Amp auftreten und da bei weniger reinen Metal- fen stets h6here Grenzstrom- st~rken beobachtet werdert (z. B. bei unseren .Beobachtungen an polykristallinem Zinn), so w~re ideal reinem Tantal eJne Grenz- stromst~rke yon 0,6 Amp zuzu- schreiben. ~3ber die zugeh6rige Gr6Be des charakteristischen Fak- tots l~tBt sieh jedoch keine plau- sible Annahme machen.

Fluxmetrisehe Aufnahmen entsprechend der Fig. t u n d 3

dieser Arbeit haben an Tantal wesenttich geringere Zeiteffekte ergeben, was wohl ebenfalls wie die geringe Peldverst~trkung mit dem hohen Restwiderstand zusammenMngt.

VI. Diskussion der Versuchsergebnisse.

Von dell bisher vorliegenden Versuchsergebnissen erscheinen uns die folgenden zur Erkl~irung des Mechanismus der Feldverst~rkung beson- ders wichtig zu sein:

1. Der Widerstandsabfall ist in qualitativer 13bereinstimmung mit den Rechnungen von LONDON 1 tiber den Zwischenzustand eines strom- belasteten Supraleiters. Wir nehmen daher an, dab sich der Supraleiter im Zwischenzustand aus normalleitenden und supraleitenden Bereichen zusammensetzt, wobei wir aber die spezielle SHOENBERGsche Annahme 2 yon supraleitenden Doppelkegeln nicht ft~r unbedingt erforderlich halten, abgesehen davon, dab diese Form der supraleitenden Bereiche sowieso

1 LONDON, F . : U n e c o n c e p t i o n n o u v e l l e d e l a s u p r a c o n d u c t i b i l i t 6 . P a r i s : H e r -

m a n n & Co. t 9 3 7 . - - S u p e r f l u i d s , B d . t , N e w Y o r k : W i l e y t 9 5 0 . 2 SHOENBERG, D . : S u p e r c o n d u c t i v i t y . C a m b r i d g e : U n i v e r s i t y P r e s s t 9 3 8 .

Messungen im t3bergangsgebiet zur Supraleitung. III . 543

durch das /iuBere longitudinale Feld etwa zu schraubenfltigelf6rmigen Gebilden modiiiziert werden wiirde (s. weiter unten).

Die gleichen Folgerungen ergeben sich aus unseren Messungen an den geschlitzten Vollzylindern. Allerdings ist der Zusammenhang zwi- schen dem Prozentsatz des verdr~ingten FeIdes und dem Prozentsatz des supraleitenden Materials nicht eindeutig. Fiir die SHOENBERcschen Doppelkegel w~ire bei Beginn des Abfalls gerade ein Drittel des Materials rein supraleitend.

2. Die Messungen an den Hohhylindern zeigen, dab die Feldver- st~irkung dureh eine zirkulare Komp0nente des Belastungsstromes her- vorgerufen wird. Das resultierende magnetische Feld aus dem zirkularen Feld des Belastungsstromes und dem ~iul3eren longitudinalen Magnetfeld ist ein schraubenf6rmiges Feld. Nimmt man an, dab sich die supra- leitenden Bereiche in Form von Spindeln in Richtung der magnetischen Feldlinien ausbilden 1, so ist damit dem Strom eine Vorzugsrichtung vorgegeben, die zu einer zirkularen Stromkomponente im richtigen Sinne und damit zu einer Feldverst~irkung ftihrt ~.

Allerdings bedfirfen dann die STEI•EEschen ~ Versuehe fiber einen Transversaleffekt (Hi_ J) noch der Nachprtifung und Deutung.

Unklar ist noch die Bedeutung der Grenzstromst~rken und des charakteristischen Faktors y. Ob sie rein aus dem Wechselspiel zwischen der auftretenden zirkularen Stromkomponente und dem durch die supra- leitenden Bereiche verdriingten Teil des Induktionsflusses zu erkl~iren sind, wie die schon bei sehr kleinen Stromst~irken in der Bohrung yon Hohlzylindern auftretende Feldverst~irkung vermuten l~il3t, oder noch tiefere Ursaehen haben, kann vielleicht entschieden werden, wenn es gelingt, aus Messungen an geschlitzten Vollzylindern eindeutig die Ab- h~tngigkeit des verdr~ingten Flusses yon ~uBerem Feld und Belastungs- strom abzuleiten.

Wie bei den ersten beiden Arbeiten m6chten wir auch hier unseren Dank der Deutschen Forschungsgemeinsehaft und s~imtlichen technischen Angestellten der Kommission aussprechen.

Herrsching (Obb.), RiederstraBe.

1 Vgh z. 13. M.v . LAUE (Theorie der Supraleitung, S. 119. Berlin: Springer 1947), A. 13. PIPPARD [Phil. Mag. (VII) 41,243 (1950), insbes. Fig. 4] und andere.

K. MENDELSSOHN ha t schon 1946 bei kritischer 13etrachtung der STEI~ER- SCHOE~ECKschen Versuche [Rep. Progr. Phys. 10, 363 (1946)] die Vermutung ausgesprochen, dab die Feldverst~irkung dutch eine andere Verteilung des Stromes hervorgernfen wird. Aui3erdem ha t R. HILSCtt anl~iBlich einer Diskussion auf der Erlanger Tagung der physikalischen Gesellschaf~: in Bayern 1951 darauf hin- gewiesen, dab die Feldverst~irkung m i t der Anordnung der supraleitendeI1 Bereiche zusammenhXngen kann.

3 S~EI~R, IZ.: Z. Naturforsch. 4a, 271 (1949).