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