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Der Einflu magnetischer Felder auf das Wrmeleitvermgen von Alkalidampf.

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274
Annulen der Physik. 5. Folge. Band 38.
1940
Der Ednflup magnetischer Zelder
azcf &as WdrrneZeitverrnfigen von AZkaZ4dumpf
Von D. S i c h t i g
(Mit 4 Abbildungen)
S e n f t l e b e n und Mitarbeiter2) haben in einer Reihe von Veroffentlichungen den EinfluB eines Magnetfeldes auf die Warmeleitung
paramagnetischer Gase beschrieben. Es konnte gezeigt werden,
da8 bei Anlegen eines homogenen Magnetfeldes eine geringe Abnahme des Warmeleitvermijgens auftrat, die im giinstigsten Fall (0,)
1,2
betret. Die theoretische Behandlung dieser Beeinflussung
bereitet gro0e Schwierigkeiten. I n neuerer Zeit hat G o r t e r s,
eine Deutung des Effektes versucht. Eine quantitative Rechnung
von Z e r n i k e und van Lier4) hat dann gezeigt, daS in der von
G o r t e r vorgeschlagenen Weise eine wenigstens groSenordnungsma5ig richtige Behandlung des Problems moglich ist.
Die bisherigen Untersuchungen S e n f t l e b e n s betrafen ausschlief3lich die zunachst in Frage kommenden paramagnetischen Molekiilgase 0, und NO. Solche zweiatomigen Molekule haben sicher
eine von der Kugelform abweichende Gestalt. Besitzen dime Molekale ein permanentes magnetisches Noment, so ist es denkbar, daJ3
sich der beim StoS wirksame Querschnitt solcher paramagnetischer
Nolekule andert, wenn man sie in ein auBeres Magnetfeld bringt.
Dies kann sich in einer Anderung des Warmeleitvermogens bemerkbar machen. Tatsachlich deuten die Ergebnisse der bisher
vorliegenden Arbeiten darauf hin, daB die gefundene Veningerung der
Rarmeleitung im Magnetfeld auf einer VergroBerung des Wirkungsquerschnittos der Gasmolektile beruht. Diese Anderung des Wirkungsquerschnittes ist natiirlich gebunden an die Form des sto5enden
Teilchens, und man kann erwarten, daB ein Effekt nicht auftritt,
wenn dieses Kugelform besitzt. Es schien deswegen von Wichtigkeit, den Effekt an einem einatomigen, paramagnetischen Gas zu
uniersuchen, zumal auch im Hinblick auf die G ortersche Theorie
1) D 6.
2) H.S e n f t l e b e n , Phys. Ztachr. 31. S. 822, 961. 1930; H.S e n f t l e b e n
u. J. Pietener; Ann. d. Phys. [5] 16. S. 907. 1933; ?i. S. 108. 1936.
3) C. J. G o r t e r , Naturw. 9. S. 140. 1938.
4) F . Z e r n i k e u. C. v a n L i e r , Physica VI. Nr.9. S. 961. 1939.
D. Sichtag. Der Einflup magnelascher Felder usw.
'
275
Versuche i n dieser Richtung wiinschenswert erschienen. Auf Einzelheiten sol1 bei der Diskussion des Ergebnisses weiter unten eingegangen werden. Das Ziel vorliegender Arbeit war die Untersuchung des magnetischen Wiirmeleitungseffektes als Alkalidampf,
der, wie alle Metalldampfe, atomar ist. Seine Atome haben Kugelsymmetrie, das magnetische Moment ist ein Bohrsches Magneton.
Vereuoheanordnung
Die Messung des Warmeleitvermogens geschah wie in friiheren
Arbeiten nach der Methode von Schleiermacher'). Das Prinzip
dieser Methode besteht darin, daS durch elektrische Heizung eines
diinnen Metalldrahtes, der in einem mit dem zu
untersuchenden Gas gefiillten GefaB ausgespannt
ist, ein Wkmestrom in dem Gas erzeugt wird.
Andert sich nun die Energieabgabe des Drahtes
durch eine Andernng des Warmeleitvermogens, so
ruft dies eine Temperatur- und damit Widerstandsanderung des Drahtes hervor, welche 'in einer
W h e a t s t o n e schen Bruckenanordnung gemessen
werden kann.
Wegen der niedrigen Siittigungsdrucke der zu
untersuchenden Alkalidampfe mu&e bei Tempereturen zwischen 375 und 50O0 C gearbeitet werden.
E s war deswegen daranf zu achten, daB die AusAbb. l.
dehnung des Heizdrahtes durch die Temperatur nicht Erates MeEgefiifJ
grober war als die des GefaEeu, in welchem er gespannt war. Sonst bestand die Gefahr, dab sich der Draht lockerte, und
durch die Kraftwirkungen des Magnetfeldes auf den vom Heizstrom
durchflossenen Draht unkontrollierbare Drahtbewegungen auftraten.
Abb. 1 gibt eine GefaSkonstruktion an, die diese Schwierigkeit vermeidet. Der Platinheizdraht (Durchmesser 0,03 mm) ist unter Verwendung von feinen Silberspanen direkt mit zwei Silberkappen verlotet,
welche auf die Mitte eines nach beiden Seiten konischen Supremaxglasrohres aufgeschliffen sind. Der Ausdehnnngskoeffizient vun Silber
ist groEer als der von Platin, der Draht ist also bei hohen Temperaturen besonders straff gespannt. Dieses GefaB wurde mit einem
Rohr aus Supremaxglas umgeben. Zur Halternng des GefaBes dienten
zwei in das Rohr eingeschmolzene Wolframdrahte, durch welche gleichzeitig die Stromzufiihrung erfolgen konnte. Bei der Konstruktion
wurde der obere Teil des Supremaxrohres erst nach Einschmelzung
1) A. Schleiermacher, Wied. Ann. 34. 6.623. 1888.
Annalen der Physik. 5. Folye. Band 38. 1948
276
der Wolframdrahte langs der in der Abbildung gestrichelt gezeichneten Linie mit dem unteren Teil verschmolzen. I n das Rohr
wurde dann das Alkalimetall eindestilliert und schliefilich unter
Hochvakuum bei A abgeschmolzen (Abb. 3).
Das GefaB wurde zuerst auf seine Brauchbarkeit hin untersucht, indem die Messungen an Sauerstoff von S e n f t l e b e n uud
P i e t z n e r l) und diejenigen bei hohen Temperaturen von R i e g e r ?
reproduziert wurden. Die Ergebnisse zeigt Abb. 2 a und b. Die
ubereinstimmung der Rurven I und I I diirfte befriedigend sein,
die Kurve IV ist durch Zusammenfassung zweier Messungen gewomen, von denen die eine etwas oberhalb, die zweite unterhalb
zu
mu
m
m
L_
rn&YSS
a)
b)
Abb. 2. Msgnetischer Whneleitungseffekt an 0,.
I Senftleben und P i e t z n e r , I1 eigene Messung, III Rieger,
IF' eigene Messung
der Kurve 1II ( R i e g e r ) verlauft. Da es sich nur urn Kontrollmessungen fur das MeBgefaB handelt, diirfte auch hier die nbereinstimmung geniigen.
Mit diesem MeBgefaB wurden einige Messungen an Casiumdampf ausgefuhrt. Es konnte keine Beeinflussung des Warmeleitvermogens durch ein Magnetfeld festgestellt werden. Diese Beobachtungen konnten aber nicht d s gesichert betrachtet werden,
weil sie bei verhaltnisma8ig niedrigen Temperaturen durchgefuhrt
werden muBten. Den Beobachtungstemperaturen (280-320O C) entsprechen Casiumdampfdrucke von 1-5 mm Hg3). I n diesem Bereich verlauft aber der Effekt noch durchaus unnormal, wie das von
S e n f t l e b e n und P i e t z n e r an Sauerstoff nachgewiesen worden ist,
1) H. Senftleben u. J. P i e t z n e r , a. a. 0.
2) E. Rieger, Ann. d. Phys. [5] 31. S. 453. 1938.
3) Lan do1t - B o r n e t ein , Phys.-Chem. Tabellen.
D.Sichtig. Der Einf Zup magnetischer Felder
usw.
277
weil bier noch der Temperatursprung an der Oberflhhe des Heizdrahtes eine merkliche Rolle spielt. Ging man aber zu hoheren
Temperaturen und darnit hiiheren Dampfdrucken iiber, so zeigte
sich, daB auEer den Wolframdrahten samtliche Banteile des MeBgef %Bes ihre elektriscllen und mechanischen Eigenschaften unter dem
EinflnB des heiEen Casiumdampfes in unkontrollierbarer U'eise
anderten. Die Winde und Drahte uberzogen sich mit einem lockeren
Belag, i n dem sich neben Casium noch ihre samtlichen Bestandteile
spektroskopisch nachweisen lieBen, ein Zeichen dafiir, daB sie tatsiichlich unter' dem EinfluB des Cs-Dampfes zerstort wurden.
E s muBte also zu einer neuen Konstrnktion iibergegangen
werdcn, bei der nur noch Wolfram und ein besseres - gegen CsDampf unempfindliches - Glas verwandt wurden. Bei den Versuchen erwies sich ein Spezialglas Nr. 747 der Studiengesellschaft
fur elektrische Beleuchtung als weitgehend unangreifbar durch CsDampf. Wegen der schwierigen Verarbeitung von Wolfram mufhe
auf die Zylinderform des MeBgefaBes verzichtet kerden. E s war
zuerst zu priifen, ob etwa durch diese Abweichung von der bei den
bisherigen Messungen verwandten Form des GefaSes eine Anderung des Effektes eintrat. Hier konnte anf Messungen von S e n f t
l e b e n und P i e t z n e r ' ) zurilckgegriffen werden. Diese zeigten, daE
der Effekt oberhalb eines Druckes von 30 mm unabhangig von der
speziellen Form des MeBgefaBes ist. Hierbei ist zu beachteh, daB
unter ,,Effekt" wie immer die relative h d e r u n g des WiZrmeleitvermogens rl
-
A 1--=
1
1 (mit Feldl - 1 (ohne Feld)
I. (ohne Peld)
verstanden ist. Es konnte aus dem genannten Grunde also angenommen werden, dab der Verzicht auf die Zylinderform des MeBgefaBes keine nachteiligen Folgen fiir die weiteren Untersuchungen
hatte. Diese uberlegungen wurden auch durch Kontrollmessungen
an 0, bestatigt.
In Abb. 3 ist nun das fiir die spateren Messungen verwandte
GefaB zusammen mit der Destillationsapparatur (vgl. unten) dargestellt. 2 ist das zylindrische Rohr aus dem Glas 747 von Osram.
Der Wolframheizdraht (Durchmesser 0,025 mm) ist mit einer PunktschweiSmaschine unter Verwendung von Nickel als Zwischenmaterial
direkt an die eingeschmolzenen Wolframzufiihrungsdrahte angeschweiBt. Zur Spannung des Heizdrahtes reichte die Elastizitat der
Einschmelzdrahte vollkommen aus. Bei der SchweiBung muBte die
1) H. S e n f t l e b e n u. J. P i e t z n e r , Ann. d. Phys. [5] 27. S. 117. 1936.
Annalen der Physik. 6. F o b . 38.
19
278
Annalen der Physzk. 5. Folge. Band 38. 1940
Spitze der beiden Zufuhrungsdrahte zunachst mit einer diinnen
Nickelschicht 1) tiberzogen werden, da wegen des groBen Unterschiedes im Durchmesser der zu verschweiBenden Drahte ein direktes
ZusamuenschweiSen unter gleichzeitiger Spannung des Heizdrahtes
TI
Abb. 3. Destiuationsapperatur und zweites MeBgef iiJ3
groBe Schwierigkeiten bereitete. Die Verwendung von Nickel hatte
aber zur Folge, daB jetzt ein Thermostrom auftrat, der die Messung
storte, und das Briickengalvanometer nicht zur Ruhe kommen lieR.
Dieser Tbermostrom , wurde dnrch eine doppelte Potentiometerschaltung kompensiert. Bei ausgeschaitetem Briickenstrom wurde
eine der jeweiligen Thermospannung entsprechende Gegenspannung
Abb. 4. Elektrisches Schaltschema
an das MeBgefaB Mg gelegt. Die Potentiometerwiderstande waren 80
bemessen, daE der Heizstrom durch das Potentiometer nicht gestort
wurde. In Abb. 4 ist die Gesamtschaltung dargestellt.
Zur Erzeugung der notwendigen'Temperaturen diente ein bif2ar
g~wickelterelektrischer Ofen. Da dieser in das Magnetfeld gebracht
werden muBte, war besonders auf Raumersparnis zu achten. Andererseits muBte sowohl die elektrische Isolation zwischen den beiden
Wickelungen als auch die Warmeisolation gegen den Magneten moglichst vollkommen sein. Das wurde dadurch erreicht, da6 nur eine
Windungslage aus Chromnickeldraht F zur Heiznng benutzt wurde,
1) Nickel wird von Alkalidampf nicht angegriffen.
2) Bezogen von Heraeus, Hanau.
D.Sichtig. Der Einflub
magnetischer Felder usw.
279
wahrend eine weiter auBen liegende, das Magnetfeld der Heizwickelung kompensierende Wickelung aus Kupferdraht bestand. So konnte
die Hauptisolationsschicht (M’asserglas-Eaolin-Kitt mit etwas Aluminiumpulver) zwischen die Wickelungen gelegt werden und wegen
des geringen Widerstandes mit kleineren Spannungen gearbeitet
werden, als wenn beide Wickelungen zur Heizung benutzt wurden.
Die Derstellung dee Alkalimetalla
.
Bei Qersuchen uber die Widerstandsfahigkeit des Spezialglases
gegen Alkalidampfe zeigte sich, da8 Ciisium das Glas am wenigsten
angriff. E s ist zwar das aktivste Element der Alkalireihe, erfordert
aber wegen seines hiiheren Dampfdruckes nicht so hohe Temperaturen wie die anderen Alkalimetalle. Hatte bei sehr starker Heizung
das Casinm mit dem Glas reagiert, so konnte nach Abkiihlung aus
der Wkmeleitung auf die Anwesenheit eines Gases geschlossen
werden. Da namlich der fiir eine bestimmte Drahtheizung notwendige Heizstrom (i,) im Vakuum vor dem Versuch gemessen werden
kann , zeigt eine h d e r u n g (VergroEerung) von io unmittolbar die
Anwesenheit eines Gases an. Rein auSerlich zeigte sich schon eine
Reaktion und damit Verunreinigung des Clsiums in einer h d e r u n g
seines Schmelzpunktes. Da dieser bei 27O C liegt, war er der Beobachtung besonders leicht zuganglich. Das Casium wurde im Vakuum
a m seinem Chlorid reduziert. Abb. 3 zeigt die Destillationsapparatur.
Ein Eisenzylinder El der das Gemisch aus Casiumchlorid und
geraspelten Calciumspanen enthalt, wird in das Rohr R aus dem
schwer schmelzbaren Supremaxglas eingeftihrt und dieses unten zugeschmolzen. Nach Evakuierung wird der Eisenzylinder mit der
Gebliiseflamme auf Rotglut erhitzt. Das freiwerdende Casium destillied in die Kugel 1 und wird nun dnrch langsame Destillation
mittels eines elektrischen Ofens unter dauerdem Pumpen in die
Kugel 2 gebracht, nachdem vorher das Rohr R abgeschmolzen ist.
Die Kugel 1 wird abgeschmolzen und das Cbsium weiter destilliert,
bis es in das sorgfdtig ausgeheizte MeSgefaS gelangt. Dieses wird
unter Hochvakuum von der Destillationsapparatur abgeschmolzen.
Das Vakuum wurde sowohl durch ein McLeodmanometer als auch
durch Messung der Heizstromstiirke (i,) gepriift. Das Pumpenaggregat
war eine Quecksilberdiffusionspumpe mit vorgeschalteter rotierender
mm Hg er6lpumpe. E s lieB sich leicht ein Vakuum von
reichen.
Die Memungen an Clieiumdampf
Es wurden Messungen durchgefiihrt bei verschiedenen Temperaturen zwischen 375 und 500, C.
Diesen Temperaturen ent19*
Annalen der Pkysik. 5. Folge. Band 38. 1940
280
sprechen Dampfdrucke zwischen 10 und 100 mm Hg. Der gegen
seine Umgebung auf 50° geheizte MeBdraht befand sich in dem
homogenen Teil des Feldes eines im Institut gebauten Elektromagneten und lag parallel zu den Krraftlinien. Die maximal erreichbare Feldstarke betrug wegen des grol3en Polabstandes n i r
3600 Gauss. Spiiter wurden noch Messungen in dem Feld eines
Halbringelektromagneten durchgefuhrt. Hier war die maximale
Feldstiirke 5300 Gauss. Als Nullinstrument lag in der Briicke ein
Spiegelgalvanometer der Firma Siemens & Halske mit einer Einstellzeit von 0,16 Sek. und einer Spannungsempfindlichkeit von 1,s
bis 1,2 ,uV/mm/m. Die Messucgen erfolgten so, daB durch Heizung
des elektrischen Ofens zunachst die notwendige Temperatur und
damit der entsprechende Dampfclruck erzeugt wurde. Dann wurde
der Heizstrom, der gleichzeitig MeBstrom war, eingeschaltet und die
Briicke abgeglichen. Es zeigte sich in keinem Falle eine Anderung
des Warmeleilvermogens beim Eimchalten des ,!agnetfeldes. Auch
die Messungen bei senkrechtem Draht, jedoch horizontalem Peld
und bei vertikalem Draht und Feld waren ergebnislos.
Empflndlichkeit
Es bleibt noch die Empfindlichkeit der Messungen zu bestimmen. Berechnet man nach der von S e n f t l eben') angegebenen
Formel die relative Anderung - d 1 , so ergibt sich, daB det Effekt
bei Ciisiumdampf, wenn er uberhaupt auftritt, kleiner ist als 1 .lo+,
bei einem Peld von 5300 Gauss. Da eine weitere Steigerung der
magnetischen Feldstarke und der Empfindlichkeit der MeLJmethode
kaum moglich war, wurde auf ein weiteres Suchen des Effektes verzichtet.
Bei der Ausrechnung der Empfindlichkeit ist nicht berucksichtigt der Temperatursprung, der bei den Messungen bei so hohen
Temperaturen und verhaltnismafiig kleinen Drucken sicher eine
Rolle spielt (vgl. die Arbeit von E. R i e g e r , a. a. 0.). Dieser fuhrt
zu einer Verkleinerung des Effektes; um wieviel, ist schwer anzugeben. Man kann aber abschatzen, daB der Warmeleitnngseffekt
- namentlich bei den Messungen von 500 O C (100 mm) - hochstens
auf die Halfte herabgesetzt wird, so daS die obere mogliche Grenze
von - ALA ungefahr 2 . lo-' ist.
~
Diskuseion der Ergebniase
Eine mogliche Interpretation des Wilrmeleitungseffektes ist von
G
o
r
t
e r 2 ) vorgeschlagen und von Z e r n i k e quantitativ ausgearbeitet
____--_
1) H. S e n f t l e b e n u. J. P i e t z n c r , Ann. d. Phys. [a] 27. S. 119. 1936.
2) C. J. Gor te r , a. a. 0.
D. S&htig. Der Einflup rnagnetischer F e B r
usw.
281
worden. Diese Theorie ist qualitativ weitgehend mit den experimentellen Ergebnissen in fjbereinstimmung. Schon S e n f t l e b e n hat
mehrfach darauf hingewiesen, da6 der Effekt durch eine beim Anlegen des Magnetfeldes eintretende h d e r u n g des Wirknngsquerschnittes der Molekiile wahrend einer freien WeglPnge zu deuten
ware. Eine solche Anderung ist aber nur moglich bei nicht kugelformigen stoUenden Partikeln, wie es die Molekule der in friiheren
Arbeiten untersuchten Gase 0, und NO sind. Der Casiumdampf
ist atomar, und die Atome besitzen nach dem wellenmechanischen
Bild vollkommene Kugelsymmetrie. Aus dem Spektralterm des
Gmndzustandes (15') folgt, daS kein Bahnimpnlsmoment vorhanden
ist, daB dns magnetische Moment des Atoms also nur vom Spin des
Valenzelektrons herriihrt und gerade die GroSe von einem B o h r schen Magneton hat. Nach G o r t e r sol1 nun der Effelrt darauf bemhen, daS sich der Stofiquerschnitt und damit die StoSwahrscheinlichkeit (s) eines zweiatomigen Molekiils infolge der Larmorprazession in einem ilnberen Magnetfelde dauernd andert. Daraus ergibt
sich eine fieie Weglange (l), die bestimmt ist durch den rexiproken
Wert l/i der mittieren StoSwahrscheinlichkeit 5. Dieser Wert wird
verglichen mit dem Mittelwert der reziproken StoSwahrscheinlichkeit l/s, welcher nach G o r t e r zu bilden ist, auch wenn kein Feld
vorhanden ist, weil die StoSwahrscheinlichkeit, nnd also die mittlere
freie Weglange abhangt von dem Winkel, den die Rotationsachse
des Molekuls mit der Translationsrichtung bildet. Es ergibt sich
daraus eine kleinere freie Weglange bei Anlegen eines Magnetfeldes, da allgemein 17s < 1/5; und fur die Warmeleitung gilt dann
dasselbe, da sie proportional zu der freien Weglange ist.
E s kommt bei dieser Theorie also wesentlich auf den Winkel
an, den die Rotationsachse des Molekuls mit seiner Translationsrichtung bildet. Hieraus folgt ohne weiteres, dab auf Grund der
erwahnten Arbeitshypothese ein magnetischer Warmeleitungseffekt
bei Alkalidampfen nicht zu erwarten is$ da die Atome wegqn ihrer
Kugelsymmetrie keine fur den StoS ausgezeichnete Rotationsachse
besitzen.
Das Ekgebnis der Messungen an Casiumdampf kann also als
eine Bestatigung der den bisherigen Deutungsversuchen zugrunde
gelegten Annahmen betrachtet werden.
Zusammenfaseung
1. Es wird eine Bersuchsanordnung zum Nachweis des Einflnsses eines Magnetfeldes auf das Warmeleitungsvermogen von Alkalid am pf angegeben .
Annalen der Physik. 5. Folge.
282
Band 38. 2940
2. Es zeigt sich, daS bis zu einer Feldstiirke von 6300 Gauss
bei grofitmoglicher Empfindlichkeit der Mebmethode ein Warmeleitungseffekt an Casiumdampf nicht auftritt. Die relative Andeist kleiner als 2 . lo-'.
rung ~
I
3. Das Ergebnis wird mit den bisher f a r den Effekt vor-
liegenden Deutungsversuchen verglichen.
Die Anregung zu vorliegender Arbeit gab mir der Direktor des
Physikalischen Instituts der Universitat Miinster, Herr Professor
Dr. Senftleben. Ihm bin ich auch fiir die stete Fbrderung der
Arbeit zu groSem Dank verp0ichtet.
Herrn Dr. J. v a n C a l k e r sei an dieser Stelle fiir die spektroskopischen Materialuntersuchungen gedankt.
Der Studiengesellschaft f iir elektrische Beleuchtung danke ich
fiir ihr groBes Entgegenkommen bei der Beschaffung geeigneter
Glas- und Metallsorten.
Auch die Firma Schott stellte uns verschiedene Glassorten zur
Verf iigung.
Ein groSer Teil der benutzten Apparate wurde uns durch die
Helmholtzgesellschaft zur Verfiigung gestellt, die auch die Kosten
f iir die komplizierten Glas- und Quarzapparaturen iibernahm.
Miins t e r (Westfalen), Physikalisches Institnt der Universitiit,
den 20. Jmi 1940.
(Eingegangen 21. Juni 1940)
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