超导材料磁悬浮力测量

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