高温超导导线IcB特性测量实验报告讲解.docx

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高温超导导线IcB特性测量实验报告讲解

高温超导导线Ic-B特性测量

姓名：

*&……%同组：

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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.Schrieffer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）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5LDC电源前面板图6LDC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9HTS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=I×R（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，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1090°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/mT

6

10

26

64

临界电流Ic/A

54.4

50.2

37.3

26.8

理论解释：

HTS材料处于外磁场下，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/mT

6

10

26

64

临界电流Ic/A

57.5

57.7

57.2

54.1

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12HTS导线的临界电流Ic与旋转角度的关系

结论：

由图可以看出，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。

①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；②HTS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142°减小的幅度不一样，52°更明显一些。

③HTS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Ｉｃ－Ｂ特性的测量【J】.物理实

验.2013,33

（2）:

6~9

【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）:

65~71

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1HTS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HTS导线的伏安特性曲线测量

Excel电子表格6磁场为B1=6mT且平行导线时HTS导线的伏安特性曲线测量

Excel电子表格7磁场为B2=10mT且平行导线时HTS导线的伏安特性曲线测量

Excel电子表格8磁场为B3=26mT且平行导线时HTS导线的伏安特性曲线测量

Excel电子表格9磁场为B4=54mT且平行导线时HTS导线的伏安特性曲线测量

Excel电子表格10HTS导线的临界电流与磁场关系的测量