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1深圳大学实验报告课程名称:近代物理实验实验名称:超导材料磁悬浮力测量学院:物理科学与技术学院组号9指导教师:报告人:韩倩暖学号:2013180095实验地点B105实验时间:2015.实验报告提交时间:2015.得分教师签名批改日期课程编号题目类型2一、实验设计方案一、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:①零电阻性或完全导电性;②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、计算机等方面二、实验仪器:实验装置的方框图如图所示:图1手动式超导体磁浮力测量仪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三、实验内容: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;34、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10~20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:\cdjcc\cdjc.exe运行测试软件。8、选择参数设定。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。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90K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10~20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:\cdjcc\cdjc.exe运行测试软件。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。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4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90K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。三、实验记录与处理图2零冷场图3冷场5四、实验结果陈述与总结通过实验,我了解了超导体的基本特性、什么是超导临界温度,以及掌握了超导体的原理。经过对图像的分析,上行和下行所受到的力的大小都是一样的,因为在最高和最低点穿过超导体的磁通线是一样的,力的大小跟超导体与磁场的距离成指数关系,但因为磁滞的影响,上行和下行的图像不是完全重合的,他们的曲率不一样。场冷和零场冷比较,场冷磁悬浮效果更好,因为场冷比零场冷对超导体锁磁效果好。总体来说,实验过程较为顺利,图像没有非常美观,要提高我们自身的实验操作能力。思考题:1、超导体的两个基本特性是什么?答:超导体的两个基本特性是零电阻性和完全抗磁性。2、磁浮力产生的机理?答: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。3、磁浮力的大小与什么因素有关?答:磁浮力的大小与永磁体磁场强度、超导体与永磁体的距离、超导体内部感应电流的大小等因素有关。4、场冷和零冷场有什么区别?答:零场冷是在无外磁场的情况下冷却超导体,直至达到超导状态,场冷是在有外磁场的作用下达到超导状态。从实验估量可得,零场冷实验超导体的最大悬浮力大于场冷中超导体的最大悬浮力,这是因为超导体在场冷中俘获了一定的磁通,使得其内部感应电流变小,最大磁浮力也随之变小。5、磁浮力曲线在上行和下行的整个过程中是否闭合?为什么?答:由本次实验的结果来看,摆动手柄是的磁铁连续的上行和下行,图中得到的曲线也是闭合曲线。这是由于上行跟下行是一个连续过程,所以在最高值处是连续的,而在上行到一定值后磁浮力出现负值,表现为吸引力,而吸引力最终又会趋近于0,回到初始的状态。指导教师批阅意见:成绩评定:实验设计方案40分实验操作及数据记录、(30分)数据处理与结果陈述(30分)总分678
本文标题:超导材料磁悬浮力测量
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