超导磁悬浮力测量

实验目的

 1、 定性观察超导磁悬浮现象 

 2、 测量超导磁悬浮力与距离的关系

 3、 了解传感器测力的原理及使用方法 实验装置 实验装置包括主件和电源及显示系统两部分。主件包括磁铁、样品架、位移调节盘、液氮槽、传感器等部分。 

实验原理 

1、零电阻现象 当把某种合金或金属冷却到某一特定温度Tc时，其直流电阻突然变 为零，把这种在低温下发生的零电阻现象称为物体的超导电性，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称为临界温 度。 超导体的零电阻特性在实验上是很难观察的，一个最好的方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体，然后撤去外场，这时在超导态的环中感生出一电流 (1) 其中τ＝L / R是电流衰减时间常数，L是环的自感，R为电阻。对于正常电阻τ很小，环内的电流很快衰减为零；对于超导环则情况不同，电 流衰减非常慢。 

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），超导体的这个特性有称为迈斯纳 （Meissner）效应。

　　完全抗磁性是独立于零电阻特性的另一个基本属性。超导体的完全抗磁性是由于表面屏蔽电流（也称迈纳斯电流）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。

　　迈纳斯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 久磁体和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。迈纳斯效应是个直流效应，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， 他们要求高，装置复杂。 排斥力的大小与样品的磁化强度及磁场梯度有关：

 (2)实验上斥力F的大小可测量，并可用压力传感器把它变成电信号。

　　3、仪器工作原理 斥力的大小可用压力传感器把它变成电信号，力的大小与两者之间的距离有关，距离可用百分表测，这样就可测定磁悬浮力了。传感器是 一个电桥电路，受传感杆传来的力的作用，电桥某一臂电阻发生变化， 使电桥失去平衡，有电压信号输出，输出的大小与力的大小成比例。

实验内容 

1、实验测量前的工作

　　(1) 首先按说明书所述装好样品，然后把传感器的工作电压线接到 仪器的电源插座，传感器的电源输出（VS）线接到仪器的信号输入插 座，调节工作电压V = 5.0伏。无受力的情况下VS应为零，但因为已有连 接棒等负载，其输出并不为零，利用仪器调零电位器把它调到零。

　　(2) 戴好清洁手套取出超导样品，用酒精清洁其表面后，装在样品 架上并固定在盛液氮的胶木杯内，再把它置放在连接棒下端的磁铁（强 度4500Gs左右）下面(安装样品时样品面要保持平放状态，并且固定 好，以免实验过程中样品脱落。旋紧螺丝时不要过分用力，但不要过分 紧张以免把样品弄坏。)。调节磁铁与样品的距离，使之在最大距离时 百分表为最大指示刻线处(端线刻度30mm或0mm，百分表外壳可转 动)，及最小距离时（样品表面与磁铁表面即将接触但未接触）为百分 表的最小指示刻线处（0mm或30mm处），即刻度的两端点，并记住这 两个点。下面的测量应在这个范围内，硬超出这两个范围，将会使百分 表的精度受损害，特别是超出零点时，测量到的不是真数值。 如何判断已达到最小距离？只要调节到VS零值不变的最下距离即 是，因为样品表面与磁铁表面相碰时VS值明显变化，并且接触时蜂鸣器 会响（由于样品很脆，为了避免损坏样品，在实际过程中，我们使用和 样品同厚度的模拟样品来进行调节）。 2、测量 (1) 观察室温条件下磁铁与超导材料间相互作用情况 缓慢改变磁铁与样品的距离，从最大（30㎜）到最小，并观察VS数 值有否变化。

　　(2) 测量超导体排斥磁力的大小 

调节磁铁与样品的距离为30mm，向样品倒入液氮，起初挥发较 快，再倒入液氮，直到液面稳定，此时超导样品已处于超导态了。然后 缓慢的减小距离，每隔1mm（大指针转一圈）测一次，一直到原来定的 最小距离为止（注意样品表面与磁铁表面不能碰到，否则会产生机械斥 力损坏样品）。本样品排斥力范围：0~15MV左右。然后把距离从最小 到最大变化，同样每隔1mm测一次VS。两次数据不重复（在实际测量过程中，为了不损坏样品，我们待测的最小距离不是0mm，而通常是2-3mm，这样就可以避免由于样品未裝平或调节零距离不精确而造成样品 和磁铁片相接触，造成样品的损坏）。 如果感到实验数据不满意，需重新测量，一定要吹干样品从头来，否 则数据不重复。 (3) 测量常规磁铁排斥力的大小 让液氮挥发干，取出样品，并用热吹风吹干，把样品放在干燥缸 内。 用磁铁片（强度大约2000Gs）代替样品，按上述方法测量在室温条 件下从最大距离（30mm）到最小距离缓慢变化过程中VS的变化，同样 每隔1mm测一次VS，接着测距离从小向大方向变化的VS值并与超导体样 品的结果比较。 

安装磁铁片时应注意： ① 因为我们的目的是测量排斥力，所以两磁铁应同极（如N极）相 对，不要用磁铁片的S极与磁铁的N极相对进行测量，否则，由于磁铁 的吸引力很强，当操作不慎时，两磁铁会快速吸引而碰伤手（不要用手 直接拿着磁铁片去试引力还是斥力，因为两磁铁的作用力很大，不小心 就会伤到手，我们可以把磁铁片放在手里，握紧后在进行测试）。 ② 同时不要在两磁铁靠近的空间处安装磁铁片，以防两磁铁相吸。 ③ 安装磁铁片时请注意个人的防磁用品不要靠近磁铁片。 二、进行定标实验 传感器输出的电压信号与受力的大小有关，为计算方便需要测量出传 感器输出电压信号与力的大小的关系。方法是： ① 拆去样品使传感器空载，距离调到最大（30mm），再次对VS调零。 ② 把位移杆移到中间位置，卸下百分表。 ③ 工作电源与步骤2中的实验时相同，不能改变。 ④ 依次按大小，分别用100g、200g、300g、400g、500g、600g、 700g、800g、900g、1000g砝码吸在磁铁上，并记下砝码重量（W）和VS的数值，作图求出相关系数。注意：取下砝码时先固定好传感器杆， 并且不要横向剥拉砝码，以免把传感器的内应片弄坏。本实验对斥力定 位为正，现是引力，VS为负值了，所以，可取绝对值进行作图。记录传 感器各对应的输出电压，并作校正曲线。 校正曲线的斜率即为转换系数K（N/mV）。求出K后即可将传感器 输出电压转换为力的大小。 做出超导样品磁悬浮力与距离的曲线。 做出两磁铁间排斥磁力与距离的曲线。 

注意事项 

1、实验过程中，液氮会连续挥发，而且盛装液氮的盒子较小，又开口处于大气中、挥发较快，所以应及时补加，并应注意保持样品处于超 导态（此时样品不能露出液氮表面）。 

2、灌液氮时应小心，以免液氮溅出到手脚上冻伤皮肤。 

3、为操作方便起见，可把液氮从杜瓦瓶（或热水瓶）内先倒入小的 保暖杯内，再从保暖杯倒入样品盒内，并且要注意不要让保暖杯与磁铁 片相吸，否则液氮会溅出，冻伤皮肤。 

4、转动距离旋柄时应缓慢进行。

 5、注意百分表位置固定后，实验过程中别再做移动。 

6、样品安装要放平，磁铁片不能与样品相接触，以免损坏样品。