Laminare und turbulente Strömung von Helium II um eine oszillierende Kugel

Promotionsarbeit von
Jan Jäger
Betreut von Prof. Dr. W. Schoepe
27.5.96

In dieser Arbeit werden Reibungseffekte von Helium II auf eine translatorisch schwingende Mikrokugel untersucht.

Eine magnetische Kugel von ca. 100 µm Radius, die in einem supraleitenden Kondensator levitiert, kann aufgrund ihrer elektrischen Ladung zu Schwingungen angeregt werden. Die Reibung auf die Kugel wird über die Messung der Geschwindigkeitsamplitude und der Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit der antreibenden Kraft (im Bereich von nN) und der Temperatur (von 60 mK bis 2.2 K) bestimmt.

Bei kleinen Geschwindigkeiten ergibt sich zunächst ein Bereich mit linear von der Anregung abhängiger Reibung. Diese Reibung wird oberhalb von 0.7 K von laminarer Strömung um die Kugel hervorgerufen, die als Stokessche Reibung an einer Kugel interpretiert werden kann. Unterhalb von 0.7 K bestimmen ballistische Streuprozesse die Reibung. Quasiteilchen (Phononen und Rotonen) und bei Temperaturen unter 250 mK 3He-Atome werden an der Kugeloberfläche gestreut. Der Reibungskoeffizient variiert für Streuung an Quasiteilchen weitgehend mit der vierten Potenz der Temperatur. Bei Streuung von 3He-Atomen ist der Zusammenhang dagegen ein Wurzelgesetz.

Bei Erhöhung der Anregung erfolgt ein abrupter Übergang auf quadratische Reibung, die Strömung wird turbulent. Die Reibung im turbulenten Regime kann als turbulente Reibung in der superfluiden Komponente gedeutet werden, der zusätzlich lineare Reibung in der normalfluiden Phase überlagert ist.