超導(dǎo)磁懸浮力測量

2023.8.04

實驗?zāi)康?/span>

?1、定性觀察超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象?

?2、測量超導(dǎo)磁懸浮力與距離的關(guān)系

?3、了解傳感器測力的原理及使用方法實驗裝置實驗裝置包括主件和電源及顯示系統(tǒng)兩部分。主件包括磁鐵、樣品架、位移調(diào)節(jié)盤、液氮槽、傳感器等部分。?

實驗原理?

1、零電阻現(xiàn)象當(dāng)把某種合金或金屬冷卻到某一特定溫度Tc時，其直流電阻突然變為零，把這種在低溫下發(fā)生的零電阻現(xiàn)象稱為物體的超導(dǎo)電性，具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)體。電阻突然消失的某一確定溫度Tc稱為臨界溫度。超導(dǎo)體的零電阻特性在實驗上是很難觀察的，一個最好的方法是超導(dǎo)環(huán)中持續(xù)電流實驗。它是將一超導(dǎo)環(huán)先置于磁場中，然后冷卻使之轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，然后撤去外場，這時在超導(dǎo)態(tài)的環(huán)中感生出一電流 (1) 其中τ＝L / R是電流衰減時間常數(shù)，L是環(huán)的自感，R為電阻。對于正常電阻τ很小，環(huán)內(nèi)的電流很快衰減為零；對于超導(dǎo)環(huán)則情況不同，電流衰減非常慢。?

2、完全抗磁性當(dāng)把超導(dǎo)體置于外加磁場時，磁通不能穿透超導(dǎo)體，而使體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度始終保持為零（B ≡ 0），超導(dǎo)體的這個特性有稱為邁斯納（Meissner）效應(yīng)。

　　完全抗磁性是獨立于零電阻特性的另一個基本屬性。超導(dǎo)體的完全抗磁性是由于表面屏蔽電流（也稱邁納斯電流）產(chǎn)生的磁通密度在導(dǎo)體內(nèi)部完全抵消了由外場引起的磁通密度，使其凈磁通密度為零，它的狀態(tài)是唯一確定的。從超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變是可逆的。

　　邁納斯效應(yīng)可以通過磁懸浮實驗直觀演示：當(dāng)一個小的永久磁體放到超導(dǎo)樣品表面附近時，由于永久磁體的磁通線不能進(jìn)入超導(dǎo)體，在永久磁體和超導(dǎo)體之間存在的斥力可以克服磁體的重力，而使小磁體懸浮在超導(dǎo)表面一定的高度。但高溫超導(dǎo)體樣品特征決定了它們具有非完全抗磁性。邁納斯效應(yīng)是個直流效應(yīng)，用磁懸浮實驗可直觀形象描述超導(dǎo) 體的這種抗磁特性，因此磁懸浮是個很好的演示實驗，但它較難給出定量結(jié)果。為了知道一個樣品是否具有抗磁性需要測量該樣品的磁化強(qiáng)度 M（或磁化率X）隨溫度的變化關(guān)系。測量方法很多，有磁稱法、振動樣品磁強(qiáng)針及SOUID磁強(qiáng)計等，這些都是測量直流磁化率XDC的方法，他們要求高，裝置復(fù)雜。排斥力的大小與樣品的磁化強(qiáng)度及磁場梯度有關(guān)：

?(2)實驗上斥力F的大小可測量，并可用壓力傳感器把它變成電信號。

　　3、儀器工作原理斥力的大小可用壓力傳感器把它變成電信號，力的大小與兩者之間的距離有關(guān)，距離可用百分表測，這樣就可測定磁懸浮力了。傳感器是一個電橋電路，受傳感桿傳來的力的作用，電橋某一臂電阻發(fā)生變化，使電橋失去平衡，有電壓信號輸出，輸出的大小與力的大小成比例。

實驗內(nèi)容?

1、實驗測量前的工作

　　(1) 首先按說明書所述裝好樣品，然后把傳感器的工作電壓線接到儀器的電源插座，傳感器的電源輸出（VS）線接到儀器的信號輸入插座，調(diào)節(jié)工作電壓V = 5.0伏。無受力的情況下VS應(yīng)為零，但因為已有連接棒等負(fù)載，其輸出并不為零，利用儀器調(diào)零電位器把它調(diào)到零。

　　(2) 戴好清潔手套取出超導(dǎo)樣品，用酒精清潔其表面后，裝在樣品架上并固定在盛液氮的膠木杯內(nèi)，再把它置放在連接棒下端的磁鐵（強(qiáng) 度4500Gs左右）下面(安裝樣品時樣品面要保持平放狀態(tài)，并且固定好，以免實驗過程中樣品脫落。旋緊螺絲時不要過分用力，但不要過分緊張以免把樣品弄壞。)。調(diào)節(jié)磁鐵與樣品的距離，使之在最大距離時百分表為最大指示刻線處(端線刻度30mm或0mm，百分表外殼可轉(zhuǎn) 動)，及最小距離時（樣品表面與磁鐵表面即將接觸但未接觸）為百分表的最小指示刻線處（0mm或30mm處），即刻度的兩端點，并記住這兩個點。下面的測量應(yīng)在這個范圍內(nèi)，硬超出這兩個范圍，將會使百分表的精度受損害，特別是超出零點時，測量到的不是真數(shù)值。如何判斷已達(dá)到最小距離？只要調(diào)節(jié)到VS零值不變的最下距離即是，因為樣品表面與磁鐵表面相碰時VS值明顯變化，并且接觸時蜂鳴器會響（由于樣品很脆，為了避免損壞樣品，在實際過程中，我們使用和樣品同厚度的模擬樣品來進(jìn)行調(diào)節(jié)）。 2、測量 (1) 觀察室溫條件下磁鐵與超導(dǎo)材料間相互作用情況緩慢改變磁鐵與樣品的距離，從最大（30㎜）到最小，并觀察VS數(shù) 值有否變化。

　　(2) 測量超導(dǎo)體排斥磁力的大小?

調(diào)節(jié)磁鐵與樣品的距離為30mm，向樣品倒入液氮，起初揮發(fā)較快，再倒入液氮，直到液面穩(wěn)定，此時超導(dǎo)樣品已處于超導(dǎo)態(tài)了。然后緩慢的減小距離，每隔1mm（大指針轉(zhuǎn)一圈）測一次，一直到原來定的最小距離為止（注意樣品表面與磁鐵表面不能碰到，否則會產(chǎn)生機(jī)械斥力損壞樣品）。本樣品排斥力范圍：0~15MV左右。然后把距離從最小到最大變化，同樣每隔1mm測一次VS。兩次數(shù)據(jù)不重復(fù)（在實際測量過程中，為了不損壞樣品，我們待測的最小距離不是0mm，而通常是2-3mm，這樣就可以避免由于樣品未裝平或調(diào)節(jié)零距離不精確而造成樣品和磁鐵片相接觸，造成樣品的損壞）。如果感到實驗數(shù)據(jù)不滿意，需重新測量，一定要吹干樣品從頭來，否則數(shù)據(jù)不重復(fù)。 (3) 測量常規(guī)磁鐵排斥力的大小讓液氮揮發(fā)干，取出樣品，并用熱吹風(fēng)吹干，把樣品放在干燥缸內(nèi)。用磁鐵片（強(qiáng)度大約2000Gs）代替樣品，按上述方法測量在室溫條件下從最大距離（30mm）到最小距離緩慢變化過程中VS的變化，同樣每隔1mm測一次VS，接著測距離從小向大方向變化的VS值并與超導(dǎo)體樣品的結(jié)果比較。?

安裝磁鐵片時應(yīng)注意： ① 因為我們的目的是測量排斥力，所以兩磁鐵應(yīng)同極（如N極）相對，不要用磁鐵片的S極與磁鐵的N極相對進(jìn)行測量，否則，由于磁鐵的吸引力很強(qiáng)，當(dāng)操作不慎時，兩磁鐵會快速吸引而碰傷手（不要用手直接拿著磁鐵片去試引力還是斥力，因為兩磁鐵的作用力很大，不小心就會傷到手，我們可以把磁鐵片放在手里，握緊后在進(jìn)行測試）。 ② 同時不要在兩磁鐵靠近的空間處安裝磁鐵片，以防兩磁鐵相吸。 ③ 安裝磁鐵片時請注意個人的防磁用品不要靠近磁鐵片。二、進(jìn)行定標(biāo)實驗傳感器輸出的電壓信號與受力的大小有關(guān)，為計算方便需要測量出傳感器輸出電壓信號與力的大小的關(guān)系。方法是： ① 拆去樣品使傳感器空載，距離調(diào)到最大（30mm），再次對VS調(diào)零。 ② 把位移桿移到中間位置，卸下百分表。 ③ 工作電源與步驟2中的實驗時相同，不能改變。 ④ 依次按大小，分別用100g、200g、300g、400g、500g、600g、 700g、800g、900g、1000g砝碼吸在磁鐵上，并記下砝碼重量（W）和VS的數(shù)值，作圖求出相關(guān)系數(shù)。注意：取下砝碼時先固定好傳感器桿，并且不要橫向剝拉砝碼，以免把傳感器的內(nèi)應(yīng)片弄壞。本實驗對斥力定位為正，現(xiàn)是引力，VS為負(fù)值了，所以，可取絕對值進(jìn)行作圖。記錄傳感器各對應(yīng)的輸出電壓，并作校正曲線。校正曲線的斜率即為轉(zhuǎn)換系數(shù)K（N/mV）。求出K后即可將傳感器輸出電壓轉(zhuǎn)換為力的大小。做出超導(dǎo)樣品磁懸浮力與距離的曲線。做出兩磁鐵間排斥磁力與距離的曲線。?

注意事項?

1、實驗過程中，液氮會連續(xù)揮發(fā)，而且盛裝液氮的盒子較小，又開口處于大氣中、揮發(fā)較快，所以應(yīng)及時補加，并應(yīng)注意保持樣品處于超導(dǎo)態(tài)（此時樣品不能露出液氮表面）。?

2、灌液氮時應(yīng)小心，以免液氮濺出到手腳上凍傷皮膚。?

3、為操作方便起見，可把液氮從杜瓦瓶（或熱水瓶）內(nèi)先倒入小的保暖杯內(nèi)，再從保暖杯倒入樣品盒內(nèi)，并且要注意不要讓保暖杯與磁鐵片相吸，否則液氮會濺出，凍傷皮膚。?

4、轉(zhuǎn)動距離旋柄時應(yīng)緩慢進(jìn)行。

?5、注意百分表位置固定后，實驗過程中別再做移動。?

6、樣品安裝要放平，磁鐵片不能與樣品相接觸，以免損壞樣品。

超導(dǎo)磁懸浮力

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