近代物理实验 超导材料磁悬浮力测量.doc

深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 大学近代物理实验 实验名称： 学院： 专业： 班级： 组号： 指导教师： 报告人： 学号： 实验地点 实验时间： 年 月 日 星期 实验报告提交时间： 一、实验目的1、 了解超导体的基本特性。2、 掌握磁浮力的测量方法。二、实验原理： 完全抗磁性和零电阻效应一样是超导材料的主要特征之一。当一个超导体处于外磁场中时，由于抗磁性和磁通钉扎效应的作用，在超导体内部将感应出屏蔽电流，又由于零电阻效应所致，屏蔽电流几乎不随时间衰减。在超导体内持续流动的屏蔽电流产生的磁场与外磁场发生相互作用，从而产生超导磁悬浮现象。以超导磁悬浮现象为基础的超导磁悬浮技术在能源（飞轮储能）、交通（磁浮车）、机械工业（无摩擦轴承）等诸多领域具有潜在的应用价值。 磁浮力是超导材料在磁悬浮技术上应用的重要参数。磁浮力随悬浮间隙的变化一方面取决于超导材料自身的性质，另一方面取决于磁场的强度和分布以及温度等测量条件。自从荷兰科学家海伊克凯米林昂纳斯于19ll年首次发现超导现象以来， 科学家们对低温超导体和高温超导体的研究已取得了辉煌的成就。超导体主要有 两个基本特性，即：零电阻性或完全导电性；完全抗磁性。因此，它在科研、生产的各个领域都有着广泛的应用。总体来说可分为两大类：一类是用于强电， 用超导体制成大尺度的超导器件，如超导磁铁、电机、电缆等，用于发电、输电、贮能和交通运输等方面。另一类是用于弱电，用超导体制成小尺度的器件，如超 导量子干涉器件（简称SQVID）和制成计算机的逻辑元件，用于精密仪器仪表、 计算机等方面。三、实验仪器：本测量仪包括用于支撑、固定各功能部件的机架、置放被测超导样品的低温容器、测量用磁体、垂直移动机构、力与位移的测量元件和控制与显示信号源四、实验内容和步骤：.1）零场冷实验步骤 1、打开测试仪电源开关，预热5分钟。 2、用螺丝将样品固定在试样架中心； 3、按K3键使压力数值归零； 4、顺时针摇动手柄使磁体下行至样品附近，调整磁体位置使其与样品对中，至压力显示在1020牛顿之间，然后按K7键将位移清零。 5、 逆时针摇动手柄使磁体上行至35mm以上； 6、向低温容器中注入液氮，使样品在没有外磁场作用的条件下冷却至液氮温度。保持液氮面略高于样品上表面（测试过程中因液氮蒸发液面下降时，可随时添加液氮），再次按K3键进行压力清零。 7、执行c:cdjcccdjc.exe运行测试软件。出现如下界面 8、选择参数设定，进入下面的界面。按测试仪面板上K2键联机，此时可以在计算机屏幕上看到压力与位移数值。 9、填写样品编号、尺寸、冷却方式和磁铁尺寸及表面磁场，数据是否存盘、采样周期（100ms）等。 10、点击工具栏的压力-位移测试图。进入以下界面。 11、 填写最大压力、最小压力和位移量程和纵坐标位置以确定坐标轴。 12、点击 “开始绘图”框选择绘制曲线，数据被记录在数据库中，然后顺时针摇动手柄使磁体下行接近超导样品，接触后逆时针摇动手柄使磁体上行至35mm以上，点击“停止绘图”。根据需要，可点击右下角的“存贮”，将测试图存盘。如果用记录仪或绘图仪绘制测试曲线，则在测试前连接好测量仪与记录仪。测试仪后面板上的信号输出接口用于连接记录仪或绘图仪，其中1（绿线，位移负）、2（红线，位移正），3（蓝线，压力负）、4（黄线，压力正）。后面板旋钮为电位补偿，可以将输出电压调整在记录仪量程范围内。 13、点击工具栏中的“数据库”，可将数据库另外起名保存，并清空测试数据库。默认的数据库存贮格式为“EXCEL”格式。 14、重复测量时必须等待液氮完全蒸发（或松螺丝将样品从样品架上取出），使样品整体升温至90 K以上（转变为正常态），使冻结在样品中的磁场退掉。注意，直接用水冲或热风吹快速升温会使样品产生裂纹，导致性能明显下降。 15、 实验结束后关闭测试仪电源，并将样品取出擦干后保存在干燥皿中。2）场冷实验步骤 1、打开测试仪电源开关，预热5分钟。 2、用螺丝将样品固定在试样架中心； 3、按K3键使压力数值归零； 4、顺时针摇动手柄使磁体下行至样品附近，调整磁体位置使其与样品对中，至压力显示在1020牛顿之间，然后按K7键将位移清零。 5、 逆时针摇动手柄使磁体上行至1 10mm之间任意位置。 6、向低温容器中注入液氮，使样品在有外磁场作用的条件下冷却至液氮温度（尽量避免磁体浸泡在液氮中），再次按K3键进行压力清零。 7、执行c:cdjcccdjc.exe运行测试软件。出现如下界面 8、选择参数设定，进入下面的界面。按测试仪面板上K2键联机，此时可以在计算机屏幕上看到压力与位移数值。 9、填写样品编号、尺寸、冷却方式和磁铁尺寸及表面磁场，数据是否存盘、采样周期（100ms）等。 10、 点击工具栏的压力-位移测试图。进入以下界面。 11、填写最大压力、最小压力和位移量程和纵坐标位置以确定坐标轴。 12、点击 “开始绘图”框选择绘制曲线，顺时针摇动手柄使磁体下行或逆时针摇动手柄使磁体上行（只测吸引力），数据被记录在数据库中。测试过程完成后，点击“停止绘图”。根据需要，可点击右下角的“存贮”，将测试图存盘。如果用记录仪或绘图仪绘制测试曲线，则在测试前连接好测量仪与记录仪。测试仪后面板上的信号输出接口用于连接记录仪或绘图仪，其中1为绿线，位移负；2为红线，位移正；3为蓝线，压力负；4为黄线，压力正。后面板旋钮为电位补偿，可以将输出电压调整在记录仪量程范围内。 13、点击工具栏中的“数据库”，可将数据库另外起名保存，并清空测试数据库。默认的数据库存贮格式为“EXCEL”格式。 14、重复测量时必须等待液氮完全蒸发（或松螺丝将样品从样品架上取出），使样品整体升温至90 K以上（转变为正常态），使冻结在样品中的磁场退掉。注意，直接用水冲或热风吹快速升温会使样品产生裂纹，导致性能明显下降。 15、 实验结束后关闭测试仪电源，并将样品取出擦干后保存在干燥皿中。五、数据处理 图一、零场冷实验曲线 图二、场冷曲线六、实验总结 得到闭合曲线是因为在最高和最低点穿过超导体的磁通量一样大，产生的力也就一样大。而上下行曲率不相同是因为在超导体内存在磁滞，下行的曲率更大点。 而场冷和零场而言，场冷磁悬浮效果较为明显，这可能与场冷条件下磁力线在超导体内分布不同造成。超导技术及其应用超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。指导教师批阅意见：因为在从上下降到贴近样品和再从下上升到最高点时，分别在最高和最低点穿过超导体的磁通线都一样，所以收到的力的大小都一样，并由图中曲线可看出，力的大小跟超导体与磁场的距离成指数关系，但由于在超导体内存在磁滞，所以上行和下行的曲率不同，但最高点和最低点的大小都一样，所以曲线成闭合曲线。对场冷和零场冷的图像相比较，场冷产生的力比零场冷的力大，磁悬浮的效果比较明显，这是因为场冷比零场冷对超导体锁磁效果好，除了冷却的过程的差异之外,零场冷和场冷所引发的效果也不一样.场冷状态下冷却的超导体,磁力线分布於超导体内的对称性与均匀性比较好;因而,它的磁锁定效果,磁浮和悬浮稳定性都比较好.由於在冷却前,已有外加的磁场介入,磁力线在超导现象未产生时,就已经穿透到超导体内了;即使在降到临界温度以下,产生超导现象时,穿透的磁力线会被均匀的钉扎在超导体内的一些特殊的微结构中,此时锁磁效果较佳. 零场冷的锁磁效果较差,因为在冷却前没有外加的磁场介入,高温超导体内没有钉扎的磁力线.在超导态时,把磁场强加压迫进去,因为超导体有反磁力,磁场难以进入超导体内,只有少数磁束会被超导体内特殊的微结构钉扎住,所以在磁场进入超导体内的过程中,必定不会像场冷过程