石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 超导转变温度与磁悬浮力测量实验 超导电性发现于191l年,荷兰科学家翁纳斯(K.Onnes)在实现了(He)气液化之后不久,利 用液氢(Lhe)所能达到的极低温条件,指导其学生(GillesHolst)进行金属在低温下电阻率的研究,发现 在温度稍低于4.2K时水银(Hg)的电阻率突然下降到一个很小值(图一)。后来有人估计,电阻率的下 限为36x102Q.cm,而迄今正常金属的最低电阻率大约为103Q.cm。与此相比,“本 可以认为汞进入了电阻完全消失的新状态一超导态。我们定义超导体开始失去电阻 时的温度为超导转变温度或超导临界温度,通常用T表示。一些金属(如 Pb,Tc-72K)、金属(NbTi,Tc=I1K)、金属间化合物(如A15结构的Nb,Ge,Tc=23.2K)0 4.18服 等上千种材料具有超导电性。 图一 超导现象发现以后,实验和理论研究以及应用都有很大发展,但是临界温度的提高一直很缓慢。1986 年以前,经过75年的努力,临界温度只达到23.2K,这一记录保持了差不多12年。此外,在1986年以 前,超导现象的研究和应用主要依赖于液氨作为致冷剂。由于氢气昂贵、液化氯的设备复杂,条件苛刻, 加上4.2水的液氨温度是接近于绝对零度的极低温区等因素都大大限制了超导的应用。为此,探索高临 界温度超导材料成为人们多年来梦寐以求的目标。 【实验目的】 1、了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法 2、掌握用测量超导体电阻一温度关系测定转变温度的方法 3、了解获得液氯温区温度的基本方法 4、定性观察超导磁悬浮现象。 5、测量超导块磁悬浮力与距离的关系。 6、了解传感器测力的原理及使用方法。 【实验原理】 超导体有许多特性,其中最主要的电磁性质是 1、零电阻现象。当把金属或合金冷却到某一确定温度Tc以下,其直流电阻突然降到零,把这种在低温 下发生的零电阻现象称为物质的超导电性,具有超导电性的材料称为超导体。电阻突然消失的某一确定 温度Tc叫做超导体的临界温度。在Tc以上,超导体和正常金属都具有有限的电阻值,这种超导体处于正 常态。由正常态向超导态的过渡是在一个有限的温度间隔里完成的,即有一个转变宽度△Tc,它取决于 材料的纯度和晶格的完整性。理想样品的△T≤10K。基于这种电阻变化,可以通过电测量来确定Tc, 通常是把样品的电阻降到转变前正常态电阻值一半时的温度定义为超导体的临界温度Tc
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 超导转变温度与磁悬浮力测量实验 超导电性发现于 1911 年,荷兰科学家翁纳斯(K.Onnes)在实现了氦(4 He)气液化之后不久,利 用液氦(Lhe)所能达到的极低温条件,指导其学生(GillesHolst)进行金属在低温下电阻率的研究,发现 在温度稍低于 4.2K时水银(Hg)的电阻率突然下降到一个很小值(图一)。后来有人估计,电阻率的下 限为 3.6×10-23Ω.cm,而迄今正常金属的最低电阻率大约为 10-13Ω.cm。与此相比, 可以认为汞进入了电阻完全消失的新状态—超导态。我们定义超导体开始失去电阻 时的温度为超导转变温度或超导临界温度,通常用TC表示。一些金属(如 Pb,TC=7.2K)、金属(NbTi, TC=11K)、金属间化合物(如A15 结构的Nb3Ge, TC=23.2K) 等上千种材料具有超导电性。 超导现象发现以后,实验和理论研究以及应用都有很大发展,但是临界温度的提高一直很缓慢。1986 年以前,经过 75 年的努力,临界温度只达到 23.2K,这一记录保持了差不多 12 年。此外,在 1986 年以 前,超导现象的研究和应用主要依赖于液氦作为致冷剂。由于氦气昂贵、液化氦的设备复杂,条件苛刻, 加上 4.2K 的液氦温度是接近于绝对零度的极低温区等因素都大大限制了超导的应用。为此,探索高临 界温度超导材料成为人们多年来梦寐以求的目标。 【实验目的】 1、了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法 2、掌握用测量超导体电阻——温度关系测定转变温度的方法 3、了解获得液氦温区温度的基本方法 4、定性观察超导磁悬浮现象。 5、测量超导块磁悬浮力与距离的关系。 6、了解传感器测力的原理及使用方法。 【实验原理】 超导体有许多特性,其中最主要的电磁性质是: 1、零电阻现象。当把金属或合金冷却到某一确定温度TC以下,其直流电阻突然降到零,把这种在低温 下发生的零电阻现象称为物质的超导电性,具有超导电性的材料称为超导体。电阻突然消失的某一确定 温度TC叫做超导体的临界温度。在TC以上,超导体和正常金属都具有有限的电阻值,这种超导体处于正 常态。由正常态向超导态的过渡是在一个有限的温度间隔里完成的,即有一个转变宽度ΔTC,它取决于 材料的纯度和晶格的完整性。理想样品的ΔT≤10-3K。基于这种电阻变化,可以通过电测量来确定TC, 通常是把样品的电阻降到转变前正常态电阻值一半时的温度定义为超导体的临界温度TC。 1
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 超导体的零电阻特性在实验上是较难观察的,一个观测的最好办法是超导环中持续电流实验。它是 将一超导环先置于磁场中,然后冷却使之转变为超导态,然后撤去外场,这时在超导态的环中感生出 电流: I()=(O)cxp(Wt)其中t■L/R是电流衰减时间常数,L是环的自感,R是电阻。 对于正常金属:值很少,环内电流很快衰减为零:对超导环则情祝不同,电流衰减非常慢。这一衰减可 通过精密的核磁共振方法来测量超导电流形成的磁场的微小变化,从而推出摔减时间。在Nb5Zo,2s超 导环中得到的结果是衰减时间大于10万年,因此可以看成是零电阻。 本实验是基于零电阻特性,用点测法测量超导转变温度T©,从而对零电阻现象有一感性认识。具体 做法是使样品通一恒定电流,测量其阻值随温度变化,当温度降到T时阻值突然降到仪器分辨率不能检 测的情况,从而定出Tc。 2、完全抗磁性。当把超导体置于外加磁场时,磁通不能穿透超导体,而使体内的磁感应强度始终保持 为零(B=0),超导体的这个特性又称为迈斯纳(Meissner)效应。 超导体的这两个特性既相互独立又有紧密的联系,完全抗磁性不能由零电阻特性派生出来,但是零 电阻特性却是迈斯纳效应的必要条件。1933年迈斯纳在实验上发现,如果把处于外加磁场中的正常体冷 却到超导态时,磁场分布发生了变化,己穿透到样品内部的磁通将完全被排斥出来,其内部的磁感应强 度恒等于零。对于超导体,它在磁场中的行为仅仅取决于外加磁场和温度的具体数值,而与它如何达到 这些值的过程无关。就是说,超导态是确定的热力学状态,无论是先降温还是先加磁场,磁场都不能透 入超导体内部。 所以,完全抗磁性是独立于零电阻特性的另一个基础属性。超导体的完全抗磁性是由于表面屏蔽电 流(也称迈斯纳电流)产生的磁通密度在导体内部完全抵消了由外场引起的磁通密度,使其净磁通密度 为零,它的状态是唯一确定的。从超导态到正常态的转变是可逆的。 迈斯纳效应可以通过磁悬浮实验直观演示:当一个小的水久磁体放置到超导样品表面附近时,由于 永久磁体的磁通线不能进入超导体,在水久磁体与超导体之间存在的斥力可以克服磁体的重力,而使小 磁体悬浮在超导表面一定的高度。但高温超导体样品特征决定了它们具有非完全抗磁性。迈斯纳效应是 个直流效应,用磁悬浮实验可直观形象描述超导体的这种抗磁特性,因此磁悬浮是个很好的演示实验, 但它较难给出定量结果。为了知道一个样品是否具有抗磁性需要测量该样品的磁化强度M(或磁化率X) 随温度的变化关系。测量方法很多,有磁称法、振动样品磁强针及S0UD磁强计等,这些都是测量直流 磁化率Xc的方法,它们要求高,装置复杂
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 超导体的零电阻特性在实验上是较难观察的,一个观测的最好办法是超导环中持续电流实验。它是 将一超导环先置于磁场中,然后冷却使之转变为超导态,然后撤去外场,这时在超导态的环中感生出一 电流: I(t)=I(0)exp(-t/τ)其中τ≡L/R是电流衰减时间常数,L是环的自感,R是电阻。 对于正常金属τ值很少,环内电流很快衰减为零;对超导环则情况不同,电流衰减非常慢。这一衰减可 通过精密的核磁共振方法来测量超导电流形成的磁场的微小变化,从而推出摔减时间。在Nb0.75Zr0.25超 导环中得到的结果是衰减时间大于10万年,因此可以看成是零电阻。 本实验是基于零电阻特性,用点测法测量超导转变温度TC,从而对零电阻现象有一感性认识。具体 做法是使样品通一恒定电流,测量其阻值随温度变化,当温度降到TC时阻值突然降到仪器分辨率不能检 测的情况,从而定出TC。 2、完全抗磁性。当把超导体置于外加磁场时,磁通不能穿透超导体,而使体内的磁感应强度始终保持 为零(B≡0),超导体的这个特性又称为迈斯纳(Meissner)效应。 超导体的这两个特性既相互独立又有紧密的联系,完全抗磁性不能由零电阻特性派生出来,但是零 电阻特性却是迈斯纳效应的必要条件。1933 年迈斯纳在实验上发现,如果把处于外加磁场中的正常体冷 却到超导态时,磁场分布发生了变化,已穿透到样品内部的磁通将完全被排斥出来,其内部的磁感应强 度恒等于零。对于超导体,它在磁场中的行为仅仅取决于外加磁场和温度的具体数值,而与它如何达到 这些值的过程无关。就是说,超导态是确定的热力学状态,无论是先降温还是先加磁场,磁场都不能透 入超导体内部。 所以,完全抗磁性是独立于零电阻特性的另一个基础属性。超导体的完全抗磁性是由于表面屏蔽电 流(也称迈斯纳电流)产生的磁通密度在导体内部完全抵消了由外场引起的磁通密度,使其净磁通密度 为零,它的状态是唯一确定的。从超导态到正常态的转变是可逆的。 迈斯纳效应可以通过磁悬浮实验直观演示:当一个小的永久磁体放置到超导样品表面附近时,由于 永久磁体的磁通线不能进入超导体,在永久磁体与超导体之间存在的斥力可以克服磁体的重力,而使小 磁体悬浮在超导表面一定的高度。但高温超导体样品特征决定了它们具有非完全抗磁性。迈斯纳效应是 个直流效应,用磁悬浮实验可直观形象描述超导体的这种抗磁特性,因此磁悬浮是个很好的演示实验, 但它较难给出定量结果。为了知道一个样品是否具有抗磁性需要测量该样品的磁化强度M(或磁化率X) 随温度的变化关系。测量方法很多,有磁称法、振动样品磁强针及SOUID磁强计等,这些都是测量直流 磁化率XDC 的方法,它们要求高,装置复杂。 2
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 实验一超导转变温度测量实验 【实验装置】 本试验用的超导体RT测试装置示意图见图二。包括超导样品架、液氨杜瓦瓶、电阻温度计、电源、 XY记录仪等部分。通常称样品架同整根德银管为探棒,超导样品和温度计装在样品架上。样品架置在 探棒 X-r记录仪 司块传到样品 接过中硬 蛋~记录仪 上 4导脂。超导 样品 旨。超导样品 和铂 超导样品和 温度 电流为lmA 到1( 图三 线路框 本实验装置用的低温容器是不锈钢制作的液氮储罐,(型号YDS一3)容量为3升,(或玻璃保暖瓶) 实验时液氯不要灌得太满,每次灌液氮1升左右即可。 【实验内容及步臻】 1、样品与测量仪器用连接线连接起来(见使用说明书和图三)。 2,本实验的日的测量超导材料的转变温度Tc,也就是在常气压环境下超导体从非超导态变为超导态时 的温度。由于超导材料在超导状态时电阻为零,因此我们可用检测其电阻随温度变化的方法来判定其转 变温度。实验中要测电阻及温度二个量。样品的电阻用四端法测量,通以恒定电流,测量2、3二端的 电压信号,由于电流恒定,电压信号的变化即是电阻的变化。 温度用铂电阻温度计测量,它的电阻会随温度变化而变化,比较稳定,线性也较好,实验时通以恒 定的1.00mA,测量温度计两端电压随温度变化情况,从表中可查到其对应的温度。 温度的变化是利用液氮杜瓦瓶空间的温度梯度来获得。样品及温度计的电压信号,可从数字显示表 中读得,也可用xy记录仪记录。 (①用数字显示表,逐点测量 ①样品连线连接好以后,开启电流,调节样品电流,ls=5.0mA温度计电流=1.00mA ②调节Vs放大的旋钮,使样品电压信号适中,一般希望能有几十毫伏的信号,因室温时处在最高温度, 这时信号最大值,如果调节不到几十M,说明有问题,需要检查接线、电流供给、样品断否等,排除 问题后再作下一步实验 ③小心地把探测头浸入杜瓦瓶内,待样品温度达到液温度后(一般等待10一15分钟),观察此时样品 出现信号是否处于零附近(因此时温度最低,电阻应为0,但因放发器噪声也被放大,会存在本底信号) 3
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 实验一 超导转变温度测量实验 【实验装置】 本试验用的超导体R-T测试装置示意图见图二。包括超导样品架、液氦杜瓦瓶、电阻温度计、电源、 X-Y记录仪等部分。通常称样品架同整根德银管为探棒,超导样品和温度计装在样品架上。样品架置在 探棒的可拆卸的圆铜套内,铜套阻挡了LN2直接接触超导样品,冷量由外壁紫铜端通过紫铜块传到样品 上。紫铜块从纵向打—Φ1.8mm的孔插入一铂电阻温度计(型号PZT—100)其间涂以低温热导脂。超导 样品用强力胶粘于导热性良好的微晶片上(也可用环氧板),载片与紫铜块间也涂以热导脂。超导样品 和铂电阻温度计的电阻测量均采用四端引线,两根电流线,两根电压线,以减少测量误差。超导样品和 温度计的供电电源分别由室温的测试电源提供,铂温度计的工作电流恒定为 1.00mA,样品电流为 1mA 到 10mA由仪器面板的电位器调节。图三为实验接线框图。 本实验装置用的低温容器是不锈钢制作的液氮储罐,(型号 YDS—3)容量为 3 升,(或玻璃保暖瓶) 实验时液氮不要灌得太满,每次灌液氮 1 升左右即可。 【实验内容及步骤】 1、样品与测量仪器用连接线连接起来(见使用说明书和图三)。 2、本实验的目的测量超导材料的转变温度TC,也就是在常气压环境下超导体从非超导态变为超导态时 的温度。由于超导材料在超导状态时电阻为零,因此我们可用检测其电阻随温度变化的方法来判定其转 变温度。实验中要测电阻及温度二个量。样品的电阻用四端法测量,通以恒定电流,测量 2、3 二端的 电压信号,由于电流恒定,电压信号的变化即是电阻的变化。 温度用铂电阻温度计测量,它的电阻会随温度变化而变化,比较稳定,线性也较好,实验时通以恒 定的 1.00mA,测量温度计两端电压随温度变化情况,从表中可查到其对应的温度。 温度的变化是利用液氮杜瓦瓶空间的温度梯度来获得。样品及温度计的电压信号,可从数字显示表 中读得,也可用 x\y 记录仪记录。 (1)用数字显示表,逐点测量 ①样品连线连接好以后,开启电流,调节样品电流,IS =5.0mA温度计电流 IT=1.00mA. ②调节VS 放大的旋钮,使样品电压信号适中,一般希望能有几十毫伏的信号,因室温时处在最高温度, 这时信号最大值,如果调节不到几十Mv,说明有问题,需要检查接线、电流供给、样品断否等,排除 问题后再作下一步实验。 ③小心地把探测头浸入杜瓦瓶内,待样品温度达到液氮温度后(一般等待 10—15 分钟),观察此时样品 出现信号是否处于零附近(因此时温度最低,电阻应为 0,但因放发器噪声也被放大,会存在本底信号) 3
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 注意此时不能再改变放大倍数,放大倍数档位置应与高温时一致。如果此时电压信号仍很大,与高温时 一样,则属不正常,需检查原因。如电阻信号小,与高温时的电阻信号相差大,则可进行数据测量了。 ④测量方法 样品温度达到稳定到液氨温度时,记下此时的样品电压V,及温度电压V值,然后把探测头小心地从 液氨瓶内提拉到液面上方,温度会慢慢升高,在这变化过程中,温度计的电压信号及样品的电阻信号会 同时变化,同时记录这二值,记下50一60个数据。作V,-V灯图即可求得转变温度。在过程中要耐心 观察,特别在转变温度附近,最好多测些数据。 ⑤如时间允许可从高温到低温再测量一次,观察二条曲线是否重合,解析原因。 (2)用x一y记录仪记录 ①X一y记录仪的x、y轴应校准。 ②接好连接线,样品电流为ls=5.O0mA,温度计电流1,=1.00mA,样品的电阻(即电压)信号接到x一y 记录仪的y轴,温度计信号接到x轴。先看在室温下x一y记录仪的笔处于哪个位置。室温下x及y均应处于 最大值,记录笔应在记录仪的右上方,如太大或太小,应调节它的量程档,使之合适,如发现此时记录 笔不处在右上方,那背定有问题,应该检查样品、温度计及记录仪电流是否接通,x一y记录仪量程是否 选得合适等等。排除问题后再做下一步实验。 ③如果正常我们可以暂时关闭样品及x一y记录仪的电源,而把探测头缓授地放到杜瓦瓶内(注意小心 轻放,别碰坏玻璃杜瓦瓶。)样品达到液氯温度后(由于样品罩内有空气,样品要达到液氨温度需要 个传递过程,一般要等候10一15分钟),再开启电源。此时x一y记录仪的笔应处在最小位置,即在记 录仪的左下方,如果不是,则可以为样品未处于超导态(或样品失超了),则应再等一会(或调换样品)。 达到液氮温度后,小心地把探头从瓶内提出到液氮面上部,样品处温度会慢慢升高变化,与此同时 记录仪的笔会根据温度变化规律画出样品电压信号的变化曲线。如果变化太慢,可把探测头再从液氨面 提出放在实验台上,此时温度变化较快,能较快画出样品电阻随温度的变化曲线,注意在提纯拉探测头 过程中,仪器处于各种状态,因此应小心操作,以防接线松脱。在这实验过程中,如果温度变化太快或 太慢,可通过控制探测头在液氨面上部的位置及停留的时间加以调节。 这样画出的样品电压(或电阻)变化曲线是从低温到高温的变化。然后,可再画一条从高温到低温 的变化曲线。(注意:放入液氨前,如样品在空气中受了湖,一定要用热吹风吹干)。这两条曲线应重合 在一起,但事实上并不如此。什么原因,请实验者思考。计算Tc的话应该采用从低温到高温变化所画出 的那条曲线的数据。 4实验结束工作: ①实验结束后关掉仪器电流,用热吹风把探测头吹干。 ②旋开探测头的外罩,把样品吹干,使其表面干燥无水气。 ③用烙铁把样品与样品架连接的四个焊点焊开,取出样品,用滤纸包好,放回干燥箱内,以备下组实 4
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 注意此时不能再改变放大倍数,放大倍数档位置应与高温时一致。如果此时电压信号仍很大,与高温时 一样,则属不正常,需检查原因。如电阻信号小,与高温时的电阻信号相差大,则可进行数据测量了。 ④ 测量方法 样品温度达到稳定到液氮温度时,记下此时的样品电压Vs及温度电压VT值,然后把探测头小心地从 液氦瓶内提拉到液面上方,温度会慢慢升高,在这变化过程中,温度计的电压信号及样品的电阻信号会 同时变化,同时记录这二值,记下 50—60 个数据。作Vs –VT 图即可求得转变温度。在过程中要耐心 观察,特别在转变温度附近,最好多测些数据。 ⑤如时间允许可从高温到低温再测量一次,观察二条曲线是否重合,解析原因。 (2)用 x—y 记录仪记录 ① x—y 记录仪的 x、y 轴应校准。 ② 接好连接线,样品电流为IS =5.00 mA,温度计电流IT=1.00mA.,样品的电阻(即电压)信号接到x—y 记录仪的y轴,温度计信号接到x轴。先看在室温下x—y记录仪的笔处于哪个位置。室温下x及y均应处于 最大值,记录笔应在记录仪的右上方,如太大或太小,应调节它的量程档,使之合适,如发现此时记录 笔不处在右上方,那肯定有问题,应该检查样品、温度计及记录仪电流是否接通,x—y记录仪量程是否 选得合适等等。排除问题后再做下一步实验。 ③ 如果正常我们可以暂时关闭样品及 x—y 记录仪的电源,而把探测头缓慢地放到杜瓦瓶内(注意小心 轻放,别碰坏玻璃杜瓦瓶。)样品达到液氮温度后(由于样品罩内有空气,样品要达到液氮温度需要一 个传递过程,一般要等候 10—15 分钟),再开启电源。此时 x—y 记录仪的笔应处在最小位置,即在记 录仪的左下方,如果不是,则可以为样品未处于超导态(或样品失超了),则应再等一会(或调换样品)。 达到液氮温度后,小心地把探头从瓶内提出到液氮面上部,样品处温度会慢慢升高变化,与此同时 记录仪的笔会根据温度变化规律画出样品电压信号的变化曲线。如果变化太慢,可把探测头再从液氮面 提出放在实验台上,此时温度变化较快,能较快画出样品电阻随温度的变化曲线,注意在提纯拉探测头 过程中,仪器处于各种状态,因此应小心操作,以防接线松脱。在这实验过程中,如果温度变化太快或 太慢,可通过控制探测头在液氮面上部的位置及停留的时间加以调节。 这样画出的样品电压(或电阻)变化曲线是从低温到高温的变化。然后,可再画一条从高温到低温 的变化曲线。(注意:放入液氮前,如样品在空气中受了潮,一定要用热吹风吹干)。这两条曲线应重合 在一起,但事实上并不如此。什么原因,请实验者思考。计算TC的话应该采用从低温到高温变化所画出 的那条曲线的数据。 4 实验结束工作: ① 实验结束后关掉仪器电流,用热吹风把探测头吹干。 ② 旋开探测头的外罩,把样品吹干,使其表面干燥无水气。 ③ 用烙铁把样品与样品架连接的四个焊点焊开,取出样品,用滤纸包好,放回干燥箱内,以备下组实 4
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 验者使用。 【注意事项】 1、实验操作过程中不要用手直接接触样品表面,要带好手套,以免沾污样品表面。 2、样品探测头放进液氨杜瓦瓶时应小心地慢慢进行,以免碰坏容器、皮肤不要接触液氨,以免冻伤 万一容器瓶损坏,液氨溢出瓶外室内充满雾气,这时也不要紧张,这是液氨在汽化燕发,只要不接到皮 肤,就不会冻伤。过了一会挥发完就好了。 3、实验时样品电流应选在10mA以内,不要太大,以免失超。 4、灌倒液氨时要小心,不要泼在手上、脚上,其严重灼伤皮肤程度比开水更甚!在磁悬浮实验中更要 注意!在液氨面未平稳时眼睛不要太靠近玻璃杯,以防万一!玻璃真空杯夹层系低真空,尚有一定的导 热作用,倒入液氮后会结水汽。可用棉花施无水酒精擦除。 5、超导样品Y1Ba2Cu307不宜长期接触水汽,水汽会使结构破坏、成分分解,导致超导性能丧失。故 做完实验后宜从低温处取出,用热吹风烘干表面潮气,置于有干燥剂的密封容器中保存,待实验时再取 出. 【思考题】 1、什么叫超导现象?超导材料有什么主要特性?从你的电阻测量实验中如何判断样品进入超导态了? 2、如何能测准超导样品的温度? 3、测定超导样品的电阻为什么要用四引线法: 4、样品电流应调节多大,为什么? 5、为什么样品必须保持干燥?如何保存样品? 6、从超导材料进入超导态时R=0,你能想象出它有什么应用价值?
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 验者使用。 【注意事项】 1、实验操作过程中不要用手直接接触样品表面,要带好手套,以免沾污样品表面。 2、样品探测头放进液氮杜瓦瓶时应小心地慢慢进行,以免碰坏容器、皮肤不要接触液氮,以免冻伤。 万一容器瓶损坏,液氮溢出瓶外室内充满雾气,这时也不要紧张,这是液氮在汽化蒸发,只要不接到皮 肤,就不会冻伤。过了一会挥发完就好了。 3、实验时样品电流应选在 10mA 以内,不要太大,以免失超。 4、灌倒液氮时要小心,不要泼在手上、脚上,其严重灼伤皮肤程度比开水更甚!在磁悬浮实验中更要 注意!在液氮面未平稳时眼睛不要太靠近玻璃杯,以防万一!玻璃真空杯夹层系低真空,尚有一定的导 热作用,倒入液氮后会结水汽。可用棉花蘸无水酒精擦除。 5、超导样品 Y1Ba2Cu3O7 不宜长期接触水汽,水汽会使结构破坏、成分分解,导致超导性能丧失。故 做完实验后宜从低温处取出,用热吹风烘干表面潮气,置于有干燥剂的密封容器中保存,待实验时再取 出。 【思考题】 1、什么叫超导现象?超导材料有什么主要特性?从你的电阻测量实验中如何判断样品进入超导态了? 2、如何能测准超导样品的温度? 3、测定超导样品的电阻为什么要用四引线法? 4、样品电流应调节多大,为什么? 5、为什么样品必须保持干燥?如何保存样品? 6、从超导材料进入超导态时 R=0,你能想象出它有什么应用价值? 5
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 实验二超导磁悬浮力测量实验 【实验装置】 实验装置包括主件(右边部分)和电源及显示系统(左边部分)两部分。主件包括磁铁、样品架、 位移调节盘、液氨植、传感器等部分 【实验内容及步骤】 1、定性观察超导磁悬浮现象 ①从干燥缸内取出圆饼形的超导样品,并小心将样品放在小玻璃真空杯内。 ②向杯内缓慢地倒入液氨,超导材料将从常态变为超导态。 ③待充分冷却后,液氨面平稳,此时用竹镊子把一小块磁铁片慢慢地放入液氨杯内,放在样品表 面附近,可观察到小磁铁片不停在样品面上,而浮在液氨中间,这就是超导排斥磁力线的结果。 注意实验中玻璃杯外壁将会出现水珠,为不影响观察。可用棉花球把水珠擦干。 2、测量超导磁悬浮力 安装样品:首先松开固紧螺丝,把样品盒取出来,再把固定样品的样品架取出来,把样品放进样品架 并用螺丝周定好(注意要平放)。然后再把样品架放进盛液氯的盒内周定好,再把液氮盒固定好。 ①转动位移调节盘,使磁铁头接触超导样品,并调节此时的位移显示百分表为零。再把它往反向 旋转到3mm ②开启仪器电源。把液氨小心地灌入液氯盒内,此时会有液氨挥发,继续灌液氨,直至灌满,此 时样品处于超导态。从数字显示表上读出斥力数据
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 实验二 超导磁悬浮力测量实验 【实验装置】 实验装置包括主件(右边部分)和电源及显示系统(左边部分)两部分。主件包括磁铁、样品架、 位移调节盘、液氮槽、传感器等部分。 【实验内容及步骤】 1、定性观察超导磁悬浮现象 ① 从干燥缸内取出圆饼形的超导样品,并小心将样品放在小玻璃真空杯内。 ② 向杯内缓慢地倒入液氮,超导材料将从常态变为超导态。 ③ 待充分冷却后,液氮面平稳,此时用竹镊子把一小块磁铁片慢慢地放入液氮杯内,放在样品表 面附近,可观察到小磁铁片不停在样品面上,而浮在液氮中间,这就是超导排斥磁力线的结果。 注意实验中玻璃杯外壁将会出现水珠,为不影响观察。可用棉花球把水珠擦干。 2、测量超导磁悬浮力 安装样品:首先松开固紧螺丝,把样品盒取出来,再把固定样品的样品架取出来,把样品放进样品架, 并用螺丝固定好(注意要平放)。然后再把样品架放进盛液氮的盒内固定好,再把液氮盒固定好。 ① 转动位移调节盘,使磁铁头接触超导样品,并调节此时的位移显示百分表为零。再把它往反向 旋转到 3mm ② 开启仪器电源。把液氮小心地灌入液氦盒内,此时会有液氮挥发,继续灌液氮,直至灌满,此 时样品处于超导态。从数字显示表上读出斥力数据。 6
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 ③缓慢转动位移调节杆使磁铁与样品的距离从大到小改变,每隔0.20mm测一个数据,并从百分 表上记下对应的位移数值,直至接近零。 ④再改变距离从小到大变化,测量另一组数据。(实验中注意补充液氢)。 ⑤实验结束后把样品拆下,用热吹风吹干样品,再把样品放在干燥缸内,留待下次实验时用。 3、用一块磁铁代替超导样品,进行上述实验,但在常温下进行,不加液氨。观察磁铁与磁铁间的排斥 力与位移的关系,了解常导磁体磁悬浮现象。 4、作传感器的校正曲线 传感器输出的电压信号与受力的大小有关,为计算方便需测量出传感器输出电压信号与力的大小 的关系。方法是: ①把位移杆移到中间位置。 ②工作电源与步骤2中的实验时相同,不能改变。 ③分别用200g、300g、400g、600g、800g的砝码吸在磁铁上,记录传感器各对应的输出电压。作 校正曲线。 【注意事项】 1、实验过程中液氯会连续挥发,因此应注意及时加液氮以保持样品处于超导态。因盛装液氮的盒子 较小,又开口处于大气中、挥发较快,所以应及时补加。 2、灌液氮时要小心,以免液氨溅出到手脚上。 3、为操作方便起见,可把液氨从杜瓦瓶(或热水瓶)内先倒入小的保暖杯内,再从保暖杯倒入样品 盒内。 4、转动距离旋柄时应缓慢进行,接近样品时作用力较大,磁铁(3)可能会偏离中心位置,甚至不 易移动距离,此时可退回去。 5、注意百分表位置固定后,实验过程中别再作移动。 6、样品安装,要放平。 【思考题】 1、什么是迈斯纳效应?磁悬浮实验能否说明超导样品具有完全抗磁性? 2、如何保护超导样品? 3、从实验你能想象出它有什么应用价值? 4、如何提高测试灵敏度? 5、从实验结果,你认为实验可作些什么改进或提高? 编者:黄旭初
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 ③ 缓慢转动位移调节杆使磁铁与样品的距离从大到小改变,每隔 0.20mm 测一个数据,并从百分 表上记下对应的位移数值,直至接近零。 ④ 再改变距离从小到大变化,测量另一组数据。(实验中注意补充液氦)。 ⑤ 实验结束后把样品拆下,用热吹风吹干样品,再把样品放在干燥缸内,留待下次实验时用。 3、用一块磁铁代替超导样品,进行上述实验,但在常温下进行,不加液氮。观察磁铁与磁铁间的排斥 力与位移的关系,了解常导磁体磁悬浮现象。 4、作传感器的校正曲线 传感器输出的电压信号与受力的大小有关,为计算方便需测量出传感器输出电压信号与力的大小 的关系。方法是: ① 把位移杆移到中间位置。 ② 工作电源与步骤 2 中的实验时相同,不能改变。 ③ 分别用 200g、300g、400g、600g、800g 的砝码吸在磁铁上,记录传感器各对应的输出电压。作 校正曲线。 【注意事项】 1、 实验过程中液氮会连续挥发,因此应注意及时加液氮以保持样品处于超导态。因盛装液氮的盒子 较小,又开口处于大气中、挥发较快,所以应及时补加。 2、 灌液氮时要小心,以免液氮溅出到手脚上。 3、 为操作方便起见,可把液氦从杜瓦瓶(或热水瓶)内先倒入小的保暖杯内,再从保暖杯倒入样品 盒内。 4、 转动距离旋柄时应缓慢进行,接近样品时作用力较大,磁铁(3)可能会偏离中心位置,甚至不 易移动距离,此时可退回去。 5、 注意百分表位置固定后,实验过程中别再作移动。 6、 样品安装,要放平。 【思考题】 1、 什么是迈斯纳效应?磁悬浮实验能否说明超导样品具有完全抗磁性? 2、 如何保护超导样品? 3、 从实验你能想象出它有什么应用价值? 4、 如何提高测试灵敏度? 5、 从实验结果,你认为实验可作些什么改进或提高? 编者:黄旭初 7