高溫超導(dǎo)導(dǎo)線Ic—B特性測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、清華大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn) 姓名： &*%￥# 學(xué)號： 2013￥#%&*高溫超導(dǎo)導(dǎo)線Ic-B特性測量 姓名：*&% 同組：%￥# 班級：%￥#指導(dǎo)老師：&%￥ 實(shí)驗(yàn)日期：2015/4/23 【摘要】測量了高溫超導(dǎo)導(dǎo)線Bi2223/Ag的臨界電流值對外加磁場的依賴關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超導(dǎo)線材的臨界電流與磁場大小有關(guān)，外磁場越大，臨界電流值越小，近似成指數(shù)關(guān)系；Bi-2223/Ag呈扁帶狀，臨界電流值還與磁場的方向有關(guān)，對磁場的依賴性呈各向異性?！娟P(guān)鍵詞】高溫超導(dǎo)；臨界電流；外磁場；依賴性 一、 引言眾所周知，金屬等導(dǎo)電材料在傳導(dǎo)電流時(shí)，都會(huì)表現(xiàn)出對電流的阻礙作用，造成電能的損耗。然而，1911年荷蘭

2、科學(xué)家Onnes首先發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在4.2K時(shí)會(huì)減小到零。于是，將這種電阻在特定溫度下消失的現(xiàn)象命名為“超導(dǎo)電性”（superconductivity）。1933年，W.Meissner和R.Ochsebfekd共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的完全抗磁性，即邁斯納效應(yīng)；零電阻特性和完全抗磁性是超導(dǎo)體的兩大基本特征，光有低溫下電阻突然消失的現(xiàn)象還不能說明是超導(dǎo)現(xiàn)象，邁斯納效應(yīng)是必要條件。1935F.London和H.London提出倫敦方程，給出了超導(dǎo)電動(dòng)力學(xué)的初步結(jié)果；1950年皮帕爾德提出了相干長度的概念，相干、相干長度等一系列概念被提出來。1957年，J.Bardeen，L.V.Cooper和J.R.S

3、chrieffer三人共同提出BCS理論從微觀上給出了超導(dǎo)電性的解釋，這一理論可以給出超導(dǎo)載流子的波函數(shù)，計(jì)算了超導(dǎo)能隙和臨界轉(zhuǎn)變溫度，預(yù)言臨界溫度的上限。而由L.D.Landau和V.L.Ginzburg于1950建立的超導(dǎo)電性的唯象理論G-L理論，在預(yù)言超導(dǎo)體的現(xiàn)象和行為時(shí)比BCS更加有用和直觀。而A.Abrikosov借此發(fā)現(xiàn)了第二類超導(dǎo)體。簡單來說，第一類超導(dǎo)體相干長度大于穿透深度，第二類反之，這引起了界面能的不同，從而導(dǎo)致兩類超導(dǎo)體在磁場行為下的不同。第二類中存在一種叫混合臺(tái)的狀態(tài)，顧名思義，即磁場會(huì)穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部，磁通線周圍的物質(zhì)處于正常態(tài)，磁通線之間的物質(zhì)仍處于超導(dǎo)態(tài)。在理論發(fā)

4、展到一定階段，接下來的任務(wù)似乎就是不斷尋找材料來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，使臨界電流Tc不斷升高。幾十年間人們逐步發(fā)展出材料釔鋇銅氧（Y1Ba2Cu3Ox）和鉍鍶鈣銅氧（Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，110K）相繼被發(fā)現(xiàn)，高溫超導(dǎo)的時(shí)代到來。可以這么說，高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)對于超導(dǎo)電氣工程應(yīng)用具有重大的意義高溫超導(dǎo)體可以承載很高的電流密度，在很多場合可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)導(dǎo)體所無法實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)槌瑢?dǎo)體幾乎沒有焦耳熱損耗，在實(shí)際運(yùn)行中可大大減少功率損耗。1二、 實(shí)驗(yàn)（一） 實(shí)驗(yàn)裝置：高溫超導(dǎo)導(dǎo)線是清華大學(xué)物理系自己制作的Bi-2223/Ag導(dǎo)線，其他輔助裝置是直流磁體、測量架、杜瓦箱、大電流電源、磁體電源及納伏電壓表。1

5、） 磁體采用有磁路的結(jié)構(gòu)：產(chǎn)生直流磁場。圖1 磁體結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 勻場區(qū)范圍與樣品寬度的比較圖3 磁體標(biāo)定曲線2）測量架：為HTS材料提供支撐；分流使能夠?yàn)镠TS材料提供大電流，頂部有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。圖4 測量架底部結(jié)構(gòu)示意圖 3）直流穩(wěn)壓電源（LDC電源）：為HTS材料導(dǎo)線樣品通電。圖5 LDC電源前面板 圖6 LDC電源控制程序4）納伏電壓表2182表5）磁體電源：給直流磁體供電圖7 磁體電源面板示意圖 圖8 四點(diǎn)法測量原理圖（二） 四點(diǎn)法測量原理實(shí)驗(yàn)基本原理是四點(diǎn)法測量，此四點(diǎn)即接入HTS導(dǎo)線的兩個(gè)端點(diǎn)加上焊的兩個(gè)電壓引線點(diǎn)。在樣品中與直流穩(wěn)壓電源連接通入直流電，焊接出來的電壓引線連接納伏電

6、壓表。超導(dǎo)失超判據(jù)：若樣品上某相距1cm的兩點(diǎn)之間的電勢差為1uV時(shí)，此時(shí)的電流值即為超導(dǎo)導(dǎo)線樣品的臨界電流值。（三）實(shí)驗(yàn)任務(wù)1）HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線2）HTS導(dǎo)線的臨界電流與磁場大小的關(guān)系3）HTS導(dǎo)線的臨界電流在磁場下的角度依賴性三、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論1） HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線圖9 HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線結(jié)論：導(dǎo)線在0磁場條件下臨界電流值為57.8A。超導(dǎo)導(dǎo)線樣品由超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變是一個(gè)漸變的過程，可以很明顯的看到電流值較小時(shí)，電壓降幾乎為零，也就是說此時(shí)的電阻為零。而當(dāng)導(dǎo)線接近或超過Ic以后，可以看到電壓急劇上升。其U-I曲線近似為指數(shù)關(guān)系，即近似為U=U0(I/Ic)n，式

7、中的n值大小與樣品的好壞有關(guān)，樣品質(zhì)量越好，n值越大，曲線越陡峭。與其他導(dǎo)體對比：一般導(dǎo)體的伏安特性曲線是一條線性的直線，U-I關(guān)系近似為U=IR（R為定值）；或者二極管的曲線是單向?qū)ㄐ?，其伏安特性曲線不對稱?？傊?，都與超導(dǎo)導(dǎo)線不同。理論解釋：當(dāng)高溫超導(dǎo)導(dǎo)線（簡稱HTS導(dǎo)線）傳輸電流時(shí)，電流產(chǎn)生的磁場會(huì)穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部。但HTS導(dǎo)線是非理想的第二類超導(dǎo)體，其內(nèi)部的釘扎中心會(huì)阻礙磁通線的運(yùn)動(dòng)，因此HTS導(dǎo)線可以無電阻的狀態(tài)傳輸較大的電流。在此過程中，磁通線與傳輸電流相互作用，使得磁通線受到一個(gè)“驅(qū)動(dòng)力”，這個(gè)驅(qū)動(dòng)力與釘扎中心的“釘扎力”相互抵消，于是磁通線無法運(yùn)動(dòng)。但是當(dāng)電流增大到一定的程度，

8、部分磁通線所受到的“驅(qū)動(dòng)力”會(huì)超過“釘扎力”的大小，磁通線便會(huì)運(yùn)動(dòng)起來。磁通運(yùn)動(dòng)會(huì)在超導(dǎo)體內(nèi)感生出電場，電場與電流的矢量內(nèi)積就是損耗功率，對外的表現(xiàn)是超導(dǎo)體開始出現(xiàn)電阻效應(yīng)。當(dāng)電阻大到一定得程度，我們就認(rèn)為超導(dǎo)體失超，此時(shí)高溫超導(dǎo)導(dǎo)線傳輸?shù)碾娏髦导幢欢x為臨界電流值Ic。2） HTS導(dǎo)線的臨界電流與磁場大小的關(guān)系1. HTS導(dǎo)線平面與磁力線的夾角約為90（測量架示數(shù)52）圖10 90時(shí)不同磁場下HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線結(jié)論：隨著磁場的增大，伏安特性曲線整體向左移動(dòng)，同時(shí)Tc也隨著減小。附表一：磁場大小B/mT6102664臨界電流Ic/A54.450.237.326.8理論解釋：HTS 材料處

9、于外磁場下，當(dāng)外磁場（Bapp）超過下臨界場之后會(huì)有磁通穿透的過程。Bapp 越大，穿透到超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通線越多。磁通線的“驅(qū)動(dòng)力”一個(gè)是傳輸電流與磁通線相互作用產(chǎn)生的，二個(gè)是磁通線之間的相互排斥作用產(chǎn)生的。而“釘扎力”基本不變。這就破壞了原來“驅(qū)動(dòng)力”和“釘扎力”的平衡，磁通線開始運(yùn)動(dòng)。所以傳輸同樣大小的電流時(shí)，有外磁場情況下磁通線受到的“驅(qū)動(dòng)力”比沒有外磁場情況下要大，所以能夠使得磁通線開始運(yùn)動(dòng)的臨界電流值越小。所以在外磁場情況下HTS導(dǎo)線的 Ic 會(huì)比沒有外磁場的情況下要有所下降，Bapp 越大，下降的幅度越大。這就是HTS材料的臨界電流對磁場大小的依賴性。2. HTS導(dǎo)線平面與磁力線的

10、平行（測量架示數(shù)142）圖11 平行時(shí)不同磁場下HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線結(jié)論：隨著磁場的增大，伏安特性曲線整體向左移動(dòng)，同時(shí)Tc也隨著減小。但是減小幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于垂直時(shí)情況。附表二：磁場大小B/mT6102664臨界電流Ic/A57.557.757.254.1解釋：導(dǎo)線為Bi2333型導(dǎo)線，呈現(xiàn)扁帶狀，所以當(dāng)磁場平行于寬面時(shí)，到線中穿透的磁通線數(shù)量較少，故而Ic受影響不大，即仍然保持較大的數(shù)值。圖12 垂直和平行狀態(tài)下不同磁場下HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線結(jié)論：對比發(fā)現(xiàn)，平行狀態(tài)下受磁場影響最小。3） HTS導(dǎo)線的臨界電流在磁場下的角度依賴性圖12 HTS導(dǎo)線的臨界電流Ic與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系結(jié)論：由圖

11、可以看出，HTS導(dǎo)線的臨界電流Ic隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而增大，即磁場與導(dǎo)線的寬面垂直時(shí)，Ic最??；平行時(shí)，Ic最大。解釋：HTS 導(dǎo)線呈扁帶狀，對磁場的依賴性會(huì)呈現(xiàn)各向異性。當(dāng)寬面垂直于磁力線時(shí)，HTS 導(dǎo)線中穿透的磁通線數(shù)量很多，Ic 就小，而寬面平行于磁力線時(shí)，HTS 導(dǎo)線中穿透的磁通線數(shù)量較少，Ic 就相對較大。四、 結(jié)論通過四點(diǎn)法可以得出較符合理論的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)無外加磁場時(shí)，HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線近似為指數(shù)關(guān)系式，未失超時(shí)，I增大時(shí)U近似不變?yōu)榱悖С?，U隨著I急劇增大；HTS的Ic對磁場的依賴性體現(xiàn)在Bpp的大小和方向，隨著磁場的增大，進(jìn)入導(dǎo)線的磁通線增大，故Ic減??；但是52和1

12、42減小的幅度不一樣，52更明顯一些。HTS材料對角度的依賴性其實(shí)在2中就體現(xiàn)出來，垂直受影響最大，平行受影響最小，這個(gè)取決于HTS導(dǎo)線本身的形狀。 五、 參考文獻(xiàn)【1】 宋彭，王合英，陳宜保. 高溫超導(dǎo)導(dǎo)線 特性的測量【J】.物理實(shí)驗(yàn).2013,33(2):69【2】 張勁松，康偉.Bi超導(dǎo)線材的發(fā)展歷史現(xiàn)狀【J】.超導(dǎo)經(jīng)濟(jì).2004,（7）:6571六、 總結(jié)本實(shí)驗(yàn)操作其實(shí)很簡單，只需要反復(fù)重復(fù)地動(dòng)作，但是需要耐心和好的調(diào)節(jié)能力，因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)電流過程中需要兩個(gè)人很默契地配合，一個(gè)人調(diào)節(jié)一個(gè)人抓取數(shù)據(jù)，這決定了數(shù)據(jù)的可靠性和做實(shí)驗(yàn)的速度，比較鍛煉合作能力和反應(yīng)能力。這是一個(gè)趣味性的實(shí)驗(yàn)，在寫實(shí)

13、驗(yàn)報(bào)告的時(shí)候了解到很多新生的超導(dǎo)知識(shí)。注意不要被液氮凍傷、不要觸電、規(guī)范操作；實(shí)事求是地測數(shù)據(jù)。另外建議其他同學(xué)或者是說明書中標(biāo)明一點(diǎn)：同學(xué)們可以先試測一遍然后預(yù)估以后的取點(diǎn)以及調(diào)節(jié)電流的速度，大致確定哪些值附近取點(diǎn)密集一些，做出合理地安排。還有一點(diǎn)就是有問題及時(shí)討論、及時(shí)更正、然后請教老師。七、 原始數(shù)據(jù)Excel電子表格1 HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線測量（注：因該處數(shù)據(jù)較多，不宜用普通表格插入Word來展示，所以用Excel電子表格來展示。）Excel電子表格2 磁場為B1=6mT時(shí)HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線測量Excel電子表格3 磁場為B2=10mT時(shí)HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線測量Excel電子表格4 磁場為B3=26mT時(shí)HTS導(dǎo)線的伏安特性曲線測量Excel電子表格5 磁場為B4=54mT時(shí)H