高溫超導導線Ic—B特性測量實驗報告

1、清華大學近代物理實驗 姓名： &*%￥# 學號： 2013￥#%&*高溫超導導線Ic-B特性測量 姓名：*&% 同組：%￥# 班級：%￥#指導老師：&%￥ 實驗日期：2015/4/23 【摘要】測量了高溫超導導線Bi2223/Ag的臨界電流值對外加磁場的依賴關系。實驗結果表明：超導線材的臨界電流與磁場大小有關，外磁場越大，臨界電流值越小，近似成指數關系；Bi-2223/Ag呈扁帶狀，臨界電流值還與磁場的方向有關，對磁場的依賴性呈各向異性?！娟P鍵詞】高溫超導；臨界電流；外磁場；依賴性 一、 引言眾所周知，金屬等導電材料在傳導電流時，都會表現出對電流的阻礙作用，造成電能的損耗。然而，1911年荷蘭

2、科學家Onnes首先發(fā)現：汞的電阻在4.2K時會減小到零。于是，將這種電阻在特定溫度下消失的現象命名為“超導電性”（superconductivity）。1933年，W.Meissner和R.Ochsebfekd共同發(fā)現了超導體的完全抗磁性，即邁斯納效應；零電阻特性和完全抗磁性是超導體的兩大基本特征，光有低溫下電阻突然消失的現象還不能說明是超導現象，邁斯納效應是必要條件。1935F.London和H.London提出倫敦方程，給出了超導電動力學的初步結果；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電性的解釋，這一理論可以給出超導載流子的波函數，計算了超導能隙和臨界轉變溫度，預言臨界溫度的上限。而由L.D.Landau和V.L.Ginzburg于1950建立的超導電性的唯象理論G-L理論，在預言超導體的現象和行為時比BCS更加有用和直觀。而A.Abrikosov借此發(fā)現了第二類超導體。簡單來說，第一類超導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，從而導致兩類超導體在磁場行為下的不同。第二類中存在一種叫混合臺的狀態(tài)，顧名思義，即磁場會穿透到超導體內部，磁通線周圍的物質處于正常態(tài)，磁通線之間的物質仍處于超導態(tài)。在理論發(fā)

4、展到一定階段，接下來的任務似乎就是不斷尋找材料來實現應用，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，高溫超導的時代到來?？梢赃@么說，高溫超導材料的發(fā)現對于超導電氣工程應用具有重大的意義高溫超導體可以承載很高的電流密度，在很多場合可以實現傳統導體所無法實現的功能，因為超導體幾乎沒有焦耳熱損耗，在實際運行中可大大減少功率損耗。1二、 實驗（一） 實驗裝置：高溫超導導線是清華大學物理系自己制作的Bi-2223/Ag導線，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構：產生直流磁場。圖1 磁體結構示意圖 圖2 勻場區(qū)范圍與樣品寬度的比較圖3 磁體標定曲線2）測量架：為HTS材料提供支撐；分流使能夠為HTS材料提供大電流，頂部有旋轉平臺。圖4 測量架底部結構示意圖 3）直流穩(wěn)壓電源（LDC電源）：為HTS材料導線樣品通電。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 四點法測量原理圖（二） 四點法測量原理實驗基本原理是四點法測量，此四點即接入HTS導線的兩個端點加上焊的兩個電壓引線點。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。超導失超判據：若樣品上某相距1cm的兩點之間的電勢差為1uV時，此時的電流值即為超導導線樣品的臨界電流值。（三）實驗任務1）HTS導線的伏安特性曲線2）HTS導線的臨界電流與磁場大小的關系3）HTS導線的臨界電流在磁場下的角度依賴性三、 實驗結果及討論1） HTS導線的伏安特性曲線圖9 HTS導線的伏安特性曲線結論：導線在0磁場條件下臨界電流值為57.8A。超導導線樣品由超導態(tài)到正常態(tài)的轉變是一個漸變的過程，可以很明顯的看到電流值較小時，電壓降幾乎為零，也就是說此時的電阻為零。而當導線接近或超過Ic以后，可以看到電壓急劇上升。其U-I曲線近似為指數關系，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，樣品質量越好，n值越大，曲線越陡峭。與其他導體對比：一般導體的伏安特性曲線是一條線性的直線，U-I關系近似為U=IR（R為定值）；或者二極管的曲線是單向導通性，其伏安特性曲線不對稱?？傊寂c超導導線不同。理論解釋：當高溫超導導線（簡稱HTS導線）傳輸電流時，電流產生的磁場會穿透到超導體內部。但HTS導線是非理想的第二類超導體，其內部的釘扎中心會阻礙磁通線的運動，因此HTS導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“驅動力”，這個驅動力與釘扎中心的“釘扎力”相互抵消，于是磁通線無法運動。但是當電流增大到一定的程度，

8、部分磁通線所受到的“驅動力”會超過“釘扎力”的大小，磁通線便會運動起來。磁通運動會在超導體內感生出電場，電場與電流的矢量內積就是損耗功率，對外的表現是超導體開始出現電阻效應。當電阻大到一定得程度，我們就認為超導體失超，此時高溫超導導線傳輸的電流值即被定義為臨界電流值Ic。2） HTS導線的臨界電流與磁場大小的關系1. HTS導線平面與磁力線的夾角約為90（測量架示數52）圖10 90時不同磁場下HTS導線的伏安特性曲線結論：隨著磁場的增大，伏安特性曲線整體向左移動，同時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，當外磁場（Bapp）超過下臨界場之后會有磁通穿透的過程。Bapp 越大，穿透到超導體內部的磁通線越多。磁通線的“驅動力”一個是傳輸電流與磁通線相互作用產生的，二個是磁通線之間的相互排斥作用產生的。而“釘扎力”基本不變。這就破壞了原來“驅動力”和“釘扎力”的平衡，磁通線開始運動。所以傳輸同樣大小的電流時，有外磁場情況下磁通線受到的“驅動力”比沒有外磁場情況下要大，所以能夠使得磁通線開始運動的臨界電流值越小。所以在外磁場情況下HTS導線的 Ic 會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導線平面與磁力線的

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

11、可以看出，HTS導線的臨界電流Ic隨著旋轉角度的增大而增大，即磁場與導線的寬面垂直時，Ic最?。黄叫袝r，Ic最大。解釋：HTS 導線呈扁帶狀，對磁場的依賴性會呈現各向異性。當寬面垂直于磁力線時，HTS 導線中穿透的磁通線數量很多，Ic 就小，而寬面平行于磁力線時，HTS 導線中穿透的磁通線數量較少，Ic 就相對較大。四、 結論通過四點法可以得出較符合理論的實驗結果。當無外加磁場時，HTS導線的伏安特性曲線近似為指數關系式，未失超時，I增大時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在Bpp的大小和方向，隨著磁場的增大，進入導線的磁通線增大，故Ic減?。坏?2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在2中就體現出來，垂直受影響最大，平行受影響最小，這個取決于HTS導線本身的形狀。 五、 參考文獻【1】 宋彭，王合英，陳宜保. 高溫超導導線 特性的測量【J】.物理實驗.2013,33(2):69【2】 張勁松，康偉.Bi超導線材的發(fā)展歷史現狀【J】.超導經濟.2004,（7）:6571六、 總結本實驗操作其實很簡單，只需要反復重復地動作，但是需要耐心和好的調節(jié)能力，因為在調節(jié)電流過程中需要兩個人很默契地配合，一個人調節(jié)一個人抓取數據，這決定了數據的可靠性和做實驗的速度，比較鍛煉合作能力和反應能力。這是一個趣味性的實驗，在寫實

13、驗報告的時候了解到很多新生的超導知識。注意不要被液氮凍傷、不要觸電、規(guī)范操作；實事求是地測數據。另外建議其他同學或者是說明書中標明一點：同學們可以先試測一遍然后預估以后的取點以及調節(jié)電流的速度，大致確定哪些值附近取點密集一些，做出合理地安排。還有一點就是有問題及時討論、及時更正、然后請教老師。七、 原始數據Excel電子表格1 HTS導線的伏安特性曲線測量（注：因該處數據較多，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HTS導線的伏安特性曲線測量Excel電子表格3 磁場為B2=10mT時HTS導線的伏安特性曲線測量Excel電子表格4 磁場為B3=26mT時HTS導線的伏安特性曲線測量Excel電子表格5 磁場為B4=54mT時H