超導磁懸浮力測量

實驗目的

 1、 定性觀察超導磁懸浮現象 

 2、 測量超導磁懸浮力與距離的關系

 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兩部分。主件包括磁鐵、樣品架、位移調節盤、液氮槽、傳感器等部分。 

實驗原理 

1、零電阻現象 當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，把這種在低溫下發生的零電阻現象稱為物體的超導電性，具有超 導電性的材料稱為超導體。電阻突然消失的某一確定溫度Tc稱為臨界溫 度。 超導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環中持續電流實驗。它是將一超導環先置于磁場中，然后冷卻使之轉變為超導體，然后撤去外場，這時在超導態的環中感生出一電流 (1) 其中τ＝L / R是電流衰減時間常數，L是環的自感，R為電阻。對于正常電阻τ很小，環內的電流很快衰減為零；對于超導環則情況不同，電 流衰減非常慢。 

2、完全抗磁性 當把超導體置于外加磁場時，磁通不能穿透超導體，而使體內的磁 感應強度始終保持為零（B ≡ 0），超導體的這個特性有稱為邁斯納 （Meissner）效應。

　　完全抗磁性是獨立于零電阻特性的另一個基本屬性。超導體的完全抗磁性是由于表面屏蔽電流（也稱邁納斯電流）產生的磁通密 度在導體內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，它的狀態是唯一確定的。從超導態到正常態的轉變是可逆的。

　　邁納斯效應可以通過磁懸浮實驗直觀演示：當一個小的永久磁體放到超導樣品表面附近時，由于永久磁體的磁通線不能進入超導體，在永 久磁體和超導體之間存在的斥力可以克服磁體的重力，而使小磁體懸浮 在超導表面一定的高度。但高溫超導體樣品特征決定了它們具有非完全抗磁性。邁納斯效應是個直流效應，用磁懸浮實驗可直觀形象描述超導 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度 M（或磁化率X）隨溫度的變化關系。測量方法很多，有磁稱法、振動樣品磁強針及SOUID磁強計等，這些都是測量直流磁化率XDC的方法， 他們要求高，裝置復雜。 排斥力的大小與樣品的磁化強度及磁場梯度有關：

 (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，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，調節工作電壓V = 5.0伏。無受力的情況下VS應為零，但因為已有連 接棒等負載，其輸出并不為零，利用儀器調零電位器把它調到零。

　　(2) 戴好清潔手套取出超導樣品，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，再把它置放在連接棒下端的磁鐵（強 度4500Gs左右）下面(安裝樣品時樣品面要保持平放狀態，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。)。調節磁鐵與樣品的距離，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 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。下面的測量應在這個范圍內，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，測量到的不是真數值。 如何判斷已達到最小距離？只要調節到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行調節）。 2、測量 (1) 觀察室溫條件下磁鐵與超導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 值有否變化。

　　(2) 測量超導體排斥磁力的大小 

調節磁鐵與樣品的距離為30mm，向樣品倒入液氮，起初揮發較 快，再倒入液氮，直到液面穩定，此時超導樣品已處于超導態了。然后 緩慢的減小距離，每隔1mm（大指針轉一圈）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，否則會產生機械斥 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。兩次數據不重復（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節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）。 如果感到實驗數據不滿意，需重新測量，一定要吹干樣品從頭來，否 則數據不重復。 (3) 測量常規磁鐵排斥力的大小 讓液氮揮發干，取出樣品，并用熱吹風吹干，把樣品放在干燥缸 內。 用磁鐵片（強度大約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值并與超導體樣 品的結果比較。 

安裝磁鐵片時應注意： ① 因為我們的目的是測量排斥力，所以兩磁鐵應同極（如N極）相 對，不要用磁鐵片的S極與磁鐵的N極相對進行測量，否則，由于磁鐵 的吸引力很強，當操作不慎時，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、進行定標實驗 傳感器輸出的電壓信號與受力的大小有關，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系。方法是： ① 拆去樣品使傳感器空載，距離調到最大（30mm），再次對VS調零。 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的數值，作圖求出相關系數。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，以免把傳感器的內應片弄壞。本實驗對斥力定 位為正，現是引力，VS為負值了，所以，可取絕對值進行作圖。記錄傳 感器各對應的輸出電壓，并作校正曲線。 校正曲線的斜率即為轉換系數K（N/mV）。求出K后即可將傳感器 輸出電壓轉換為力的大小。 做出超導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，液氮會連續揮發，而且盛裝液氮的盒子較小，又開口處于大氣中、揮發較快，所以應及時補加，并應注意保持樣品處于超 導態（此時樣品不能露出液氮表面）。 

2、灌液氮時應小心，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）內先倒入小的 保暖杯內，再從保暖杯倒入樣品盒內，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、轉動距離旋柄時應緩慢進行。

 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。