高温超导导线Ic—B特性测量实验报告

1、清华大学近代物理实验 姓名： &*%￥# 学号： 2013￥#%&*高温超导导线Ic-B特性测量 姓名：*&% 同组：%￥# 班级：%￥#指导老师：&%￥ 实验日期：2015/4/23 【摘要】测量了高温超导导线Bi2223/Ag的临界电流值对外加磁场的依赖关系。实验结果表明：超导线材的临界电流与磁场大小有关，外磁场越大，临界电流值越小，近似成指数关系；Bi-2223/Ag呈扁带状，临界电流值还与磁场的方向有关，对磁场的依赖性呈各向异性。【关键词】高温超导；临界电流；外磁场；依赖性 一、 引言众所周知，金属等导电材料在传导电流时，都会表现出对电流的阻碍作用，造成电能的损耗。然而，1911年荷兰

2、科学家Onnes首先发现：汞的电阻在4.2K时会减小到零。于是，将这种电阻在特定温度下消失的现象命名为“超导电性”（superconductivity）。1933年，W.Meissner和R.Ochsebfekd共同发现了超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应；零电阻特性和完全抗磁性是超导体的两大基本特征，光有低温下电阻突然消失的现象还不能说明是超导现象，迈斯纳效应是必要条件。1935F.London和H.London提出伦敦方程，给出了超导电动力学的初步结果；1950年皮帕尔德提出了相干长度的概念，相干、相干长度等一系列概念被提出来。1957年，J.Bardeen，L.V.Cooper和J.R.S

3、chrieffer三人共同提出BCS理论从微观上给出了超导电性的解释，这一理论可以给出超导载流子的波函数，计算了超导能隙和临界转变温度，预言临界温度的上限。而由L.D.Landau和V.L.Ginzburg于1950建立的超导电性的唯象理论G-L理论，在预言超导体的现象和行为时比BCS更加有用和直观。而A.Abrikosov借此发现了第二类超导体。简单来说，第一类超导体相干长度大于穿透深度，第二类反之，这引起了界面能的不同，从而导致两类超导体在磁场行为下的不同。第二类中存在一种叫混合台的状态，顾名思义，即磁场会穿透到超导体内部，磁通线周围的物质处于正常态，磁通线之间的物质仍处于超导态。在理论发

4、展到一定阶段，接下来的任务似乎就是不断寻找材料来实现应用，使临界电流Tc不断升高。几十年间人们逐步发展出材料钇钡铜氧（Y1Ba2Cu3Ox）和铋锶钙铜氧（Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，110K）相继被发现，高温超导的时代到来。可以这么说，高温超导材料的发现对于超导电气工程应用具有重大的意义高温超导体可以承载很高的电流密度，在很多场合可以实现传统导体所无法实现的功能，因为超导体几乎没有焦耳热损耗，在实际运行中可大大减少功率损耗。1二、 实验（一） 实验装置：高温超导导线是清华大学物理系自己制作的Bi-2223/Ag导线，其他辅助装置是直流磁体、测量架、杜瓦箱、大电流电源、磁体电源及纳伏电压表。1

5、） 磁体采用有磁路的结构：产生直流磁场。图1 磁体结构示意图 图2 匀场区范围与样品宽度的比较图3 磁体标定曲线2）测量架：为HTS材料提供支撑；分流使能够为HTS材料提供大电流，顶部有旋转平台。图4 测量架底部结构示意图 3）直流稳压电源（LDC电源）：为HTS材料导线样品通电。图5 LDC电源前面板 图6 LDC电源控制程序4）纳伏电压表2182表5）磁体电源：给直流磁体供电图7 磁体电源面板示意图 图8 四点法测量原理图（二） 四点法测量原理实验基本原理是四点法测量，此四点即接入HTS导线的两个端点加上焊的两个电压引线点。在样品中与直流稳压电源连接通入直流电，焊接出来的电压引线连接纳伏电

6、压表。超导失超判据：若样品上某相距1cm的两点之间的电势差为1uV时，此时的电流值即为超导导线样品的临界电流值。（三）实验任务1）HTS导线的伏安特性曲线2）HTS导线的临界电流与磁场大小的关系3）HTS导线的临界电流在磁场下的角度依赖性三、 实验结果及讨论1） HTS导线的伏安特性曲线图9 HTS导线的伏安特性曲线结论：导线在0磁场条件下临界电流值为57.8A。超导导线样品由超导态到正常态的转变是一个渐变的过程，可以很明显的看到电流值较小时，电压降几乎为零，也就是说此时的电阻为零。而当导线接近或超过Ic以后，可以看到电压急剧上升。其U-I曲线近似为指数关系，即近似为U=U0(I/Ic)n，式

7、中的n值大小与样品的好坏有关，样品质量越好，n值越大，曲线越陡峭。与其他导体对比：一般导体的伏安特性曲线是一条线性的直线，U-I关系近似为U=IR（R为定值）；或者二极管的曲线是单向导通性，其伏安特性曲线不对称。总之，都与超导导线不同。理论解释：当高温超导导线（简称HTS导线）传输电流时，电流产生的磁场会穿透到超导体内部。但HTS导线是非理想的第二类超导体，其内部的钉扎中心会阻碍磁通线的运动，因此HTS导线可以无电阻的状态传输较大的电流。在此过程中，磁通线与传输电流相互作用，使得磁通线受到一个“驱动力”，这个驱动力与钉扎中心的“钉扎力”相互抵消，于是磁通线无法运动。但是当电流增大到一定的程度，

8、部分磁通线所受到的“驱动力”会超过“钉扎力”的大小，磁通线便会运动起来。磁通运动会在超导体内感生出电场，电场与电流的矢量内积就是损耗功率，对外的表现是超导体开始出现电阻效应。当电阻大到一定得程度，我们就认为超导体失超，此时高温超导导线传输的电流值即被定义为临界电流值Ic。2） HTS导线的临界电流与磁场大小的关系1. HTS导线平面与磁力线的夹角约为90（测量架示数52）图10 90时不同磁场下HTS导线的伏安特性曲线结论：随着磁场的增大，伏安特性曲线整体向左移动，同时Tc也随着减小。附表一：磁场大小B/mT6102664临界电流Ic/A54.450.237.326.8理论解释：HTS 材料处

9、于外磁场下，当外磁场（Bapp）超过下临界场之后会有磁通穿透的过程。Bapp 越大，穿透到超导体内部的磁通线越多。磁通线的“驱动力”一个是传输电流与磁通线相互作用产生的，二个是磁通线之间的相互排斥作用产生的。而“钉扎力”基本不变。这就破坏了原来“驱动力”和“钉扎力”的平衡，磁通线开始运动。所以传输同样大小的电流时，有外磁场情况下磁通线受到的“驱动力”比没有外磁场情况下要大，所以能够使得磁通线开始运动的临界电流值越小。所以在外磁场情况下HTS导线的 Ic 会比没有外磁场的情况下要有所下降，Bapp 越大，下降的幅度越大。这就是HTS材料的临界电流对磁场大小的依赖性。2. HTS导线平面与磁力线的

10、平行（测量架示数142）图11 平行时不同磁场下HTS导线的伏安特性曲线结论：随着磁场的增大，伏安特性曲线整体向左移动，同时Tc也随着减小。但是减小幅度远远小于垂直时情况。附表二：磁场大小B/mT6102664临界电流Ic/A57.557.757.254.1解释：导线为Bi2333型导线，呈现扁带状，所以当磁场平行于宽面时，到线中穿透的磁通线数量较少，故而Ic受影响不大，即仍然保持较大的数值。图12 垂直和平行状态下不同磁场下HTS导线的伏安特性曲线结论：对比发现，平行状态下受磁场影响最小。3） HTS导线的临界电流在磁场下的角度依赖性图12 HTS导线的临界电流Ic与旋转角度的关系结论：由图

11、可以看出，HTS导线的临界电流Ic随着旋转角度的增大而增大，即磁场与导线的宽面垂直时，Ic最小；平行时，Ic最大。解释：HTS 导线呈扁带状，对磁场的依赖性会呈现各向异性。当宽面垂直于磁力线时，HTS 导线中穿透的磁通线数量很多，Ic 就小，而宽面平行于磁力线时，HTS 导线中穿透的磁通线数量较少，Ic 就相对较大。四、 结论通过四点法可以得出较符合理论的实验结果。当无外加磁场时，HTS导线的伏安特性曲线近似为指数关系式，未失超时，I增大时U近似不变为零，失超后，U随着I急剧增大；HTS的Ic对磁场的依赖性体现在Bpp的大小和方向，随着磁场的增大，进入导线的磁通线增大，故Ic减小；但是52和1

12、42减小的幅度不一样，52更明显一些。HTS材料对角度的依赖性其实在2中就体现出来，垂直受影响最大，平行受影响最小，这个取决于HTS导线本身的形状。 五、 参考文献【1】 宋彭，王合英，陈宜保. 高温超导导线 特性的测量【J】.物理实验.2013,33(2):69【2】 张劲松，康伟.Bi超导线材的发展历史现状【J】.超导经济.2004,（7）:6571六、 总结本实验操作其实很简单，只需要反复重复地动作，但是需要耐心和好的调节能力，因为在调节电流过程中需要两个人很默契地配合，一个人调节一个人抓取数据，这决定了数据的可靠性和做实验的速度，比较锻炼合作能力和反应能力。这是一个趣味性的实验，在写实

13、验报告的时候了解到很多新生的超导知识。注意不要被液氮冻伤、不要触电、规范操作；实事求是地测数据。另外建议其他同学或者是说明书中标明一点：同学们可以先试测一遍然后预估以后的取点以及调节电流的速度，大致确定哪些值附近取点密集一些，做出合理地安排。还有一点就是有问题及时讨论、及时更正、然后请教老师。七、 原始数据Excel电子表格1 HTS导线的伏安特性曲线测量（注：因该处数据较多，不宜用普通表格插入Word来展示，所以用Excel电子表格来展示。）Excel电子表格2 磁场为B1=6mT时HTS导线的伏安特性曲线测量Excel电子表格3 磁场为B2=10mT时HTS导线的伏安特性曲线测量Excel电子表格4 磁场为B3=26mT时HTS导线的伏安特性曲线测量Excel电子表格5 磁场为B4=54mT时H