石河子大学：《综合物理实验》课程实验讲义（近代物理实验）超导转变温度与磁悬浮力测量实验.pdf

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