物理超导报告
大学物理实验报告超导磁悬浮现象分析及其应用
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学院：信息学院
专业：计算机科学与技术
指导教师：
8年月日
超导磁悬浮现象分析及其应用
摘要：通过对超导磁悬浮现象的研究，分析后得出超导原理及超导磁悬浮现象的应用方法。
关键字：超导磁悬浮迈斯纳效应
【知识简介】
1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂
内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，
汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属
和合金都具有与上述汞相类似的低温下失
去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡
末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他
的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
1933年德国物理学家迈斯纳
（W.Meissner）和奥森菲尔德
（R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场
分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进
入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁
力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处
于超导态时，体内的磁场恒等于零。
超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。
此外，超导体还是完全的抗磁体，外加磁场无法进入或（严格说是）大范围地存在于超导体内部，这是超导体的另一个基本特性。
【实验步骤】
1)备一个小型液氮容器，最好是模压泡沫容器（如：仪表包装衬套即可）
2)将小车下面垫上8mm左右的硬纸板放在磁性导轨上
3)取下小车上盖，将液氮倒入小型液氮容器，再倒入车体容器中（内有超导块），大约过
2-3分钟，使超导块充分冷却，盖上车盖，撤下硬纸板，小车悬浮在导轨上方
4)接上驱动变压器，将其电压调到4.5V左右，打开驱动开关（在导轨托板的前方）
5)用手给车一个驱动力，使小车顺着驱动器的转动放线运动，使小车受到一个向前的驱动
力的作用，车就会沿着磁性导轨持续运动起来
【实验现象】
小车先悬浮在轨道上方，再给小车施加一个向前的推力后，小车悬浮并沿着轨道匀速运动。
【理论解释】
许多金属和合金在低温下，电阻率趋近于零，我们把这种现象称为超导电性。出现超导电性的那个温度称为转变温度或临界温度，记为T C，在T C以上，金属为正常态；TC以下金属处于超导态。不同金属或合金的临界温度TC不同。
物体在低温出现超导现象是因为在温度很低的时候，原子核的运动被易子气束缚在很小的范围内，原子与原子形成弹性晶格状，原子只能在晶格中有微弱的振动，内层电子在这些晶格之间做振动，外层自由电子无法将能量传递给原子核，自由电子与巨大的弹性晶格相碰撞，无法将自己的能量转变成巨大弹性晶格的内能，所以无能量损失。在磁场中，只有超导体的外部直接与磁场接触的部分可以被磁化，超导体表现出完全抗磁性。
超导体的磁性与常规磁体的磁性不同，超导体进入超导态后置于外磁场中，它内部产生磁化强度与外磁场完全抵消，磁力线完全被排斥在超导体外面，从而内部的磁感应强度为零，这就是超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应。（如图10-1）完全抗磁性会产产生磁悬浮或者倒挂现象。
产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而总合成磁场为零。
换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。
超导体不是电阻无限小的理想导体。因为对于电阻率ρ无限小的理想导体，根据
J＝σＥ＝Ｅ／ρ
当ρ为０时，Ｅ必须为０才能使Ｊ保持有限。这就是说对理想导体在没有电场Ｅ的条件下仍可以维持稳恒的电流密度。
实验中，当超导块经冷却达到超导态后靠近磁性导轨时，磁力线进入超导体表面并形成很大的磁通密度梯度，感应出高屏蔽电流，又由于零电阻效应，屏蔽电流几乎不随时间衰减，该电流产生的磁场与外磁场相互作用，从而对轨道产生排斥，排斥力克服超导体重力使其悬浮。磁性导轨用铷铁硼磁块铺设在钢板上制成，两边N型导轨起磁约束作用，保证超导块在轨道上运动
【应用】
●超导发电机
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。
超导磁体可用于制作交流超导发电机，磁流体发电机和超导输电线路等。
超导发电机在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。
●超导磁悬浮列车
超导磁悬浮列车可达500至600公里／小时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30%。在500公里／小时速度下，每座位／公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车也少耗能30%。
因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生摩擦，发出的噪音很低。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。
核聚变反应堆"磁封闭体"
核聚变反应时,内部温度高达1亿～2亿℃，没有任何常规材料可以包容这些物质.而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围，约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。（下图为美国超导核聚变反应堆）
【设想】
据统计，目前的铜或铝导线输电约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
根据超导导体在超导条件下零电阻的特点，且实现超导现象需要低温的条件，假设一个超导输电系统。
由于需要对超导材料维持低温环境，故把超导输电线路缠绕在绝缘的液氮管上，以保持低温条件。这个系统外侧包裹隔热绝缘材料，埋于地下。
用计算机对系统的温度和液氮量进行实时监测，若发现温度不能达到超导材料的转变温度，则需添加液氮。
该系统适合短距离输电，由于需要保持低温，所以要消耗大量能量。解决的办法是开发高温甚至常温超导材料，以便大规模应用。
参考文献
[1].郑天喆《科学与未来Science and Fature Superconductor》知识出版社2003年
[2].林良真等《超导电性及其应用》北京工业大学出版社1988年
[3].超导https://www.docsj.com/doc/4b18215085.html,/view/22632.htm
[4].超导应用https://www.docsj.com/doc/4b18215085.html,/view/694940.html
[5].迈斯纳效应https://www.docsj.com/doc/4b18215085.html,/view/59063.htm
https://www.docsj.com/doc/4b18215085.html,/ebook/read.aspx?id=2007/B10017527/10.html
[6].超导体应用https://www.docsj.com/doc/4b18215085.html,/blog/static/965811020069531852608/
[7].磁悬浮列车https://www.docsj.com/doc/4b18215085.html,/view/22203.htm
近 代 物 理 实 验 报 告 -高温超导
近代物理实验报告 实验题目：高温超导材料的特性与表征作者：李健 时间：2015-09-17
高温超导材料的特性与表征 【摘要】本实验主要通过对高温超导材料Y-Ba-Cu-O特性的测量，理解超导体的两个基本特性，即完全导电性和完全抗磁性，了解超导磁悬浮的原理。本实验利用液氮将高温超导材料Y-Ba-Cu-O降温，用铂电阻温度计测量温度，通过测量铂电阻的大小及查询铂电阻-温度对照表得出相应的温度，再电压表测得超导体电阻，即能得到超导体电阻温度曲线，测得该样品的超导转变温度约为93K；再通过超导磁悬浮实验验证了高温超导材料的磁特性，得到分别在零场冷却，有场冷却下的超导体的磁悬浮力与超导磁体间距的关系曲线。 【关键词】高温超导零电阻现象MEISSNER效应低温恒温器四引线法磁悬浮 【引言】 从1991年荷兰物理学家卡默林·翁纳斯（H.K.Onnes）发现低温超导体，超导科技发展大体经历了三个阶段：1911年到1957年BCS超导微观理论问世，是人类对超导电性的基本探索和认识阶段，核心是提出库珀电子对；第二阶段是从1958年到1985年是超导技术应用的准备阶段，成功研制强磁场超导材料，发现约瑟夫森效应；第三阶段是1986年发现高于30K的超导材料，进入超导技术开发时代。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在更方面的应用开辟了十分广阔的前景。 超导电性的应用十分广泛，例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机、超导微波器件等，超导电性还可以用于计量标准，在991年1月1日开始生效的伏特和欧姆的新实验基准中，电压基准就是以超导电性为基础。 本实验目的是通过对氧化物高温超导材料的测量与演示、加深理解超导体两个基本特性；了解超导磁悬浮原理；了解金属和半导体的电阻随温度变化以及温差电效应；掌握低温物理实验的基本方法：低温的获得、控制和测量。 【正文】 一、实验原理 1.超导现象、临界参数及实用超导体 （1）零电阻现象 将物体冷却到某一临界温度Tc以下时电阻突然降为零的现象，称为超导体的零电阻现象。不同的超导体的临界温度各不相同。如下图，用电阻法测量临界温度，把降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度Tc,onset，临界温度Tc定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半对应的温度，也称作超导转变的中点温度Tcm。电阻变化10%到90%所对应的温度间隔定义为转变宽度△Tc，电阻全降到零时的温度为零电阻温度Tc。通常说的超导转变温度Tc指Tcm。
高温超导体基本特性的测量-物理试验
高温超导体基本特性的测量 1911年，荷兰物理学家昂尼斯（H.K.Onnes）发现，利用液氮把汞冷却到4.2K左右时，水银的电阻率突然有正常的剩余电阻率减小到接近零，以后在其它的一些物质中也发现了这一现象。由于这些超导体的临界温度T C很低，人们称这些需在液氦温区运行的超导体为低温超导体。1986年6月，贝德诺（J.G..Bednorz）和缪勒（K.A.Muler）发现金属氧化物Ba-La-Cu-o 材料具有超导电性，其超导起始转变温度为35K，在13K达到零电阻，这一发现时超导体的研究有了突破性的进展，随后美中科学家分别独立地发现了Y-Ba-Cu-O体系超导体，起始温度92K以上，在液氮温区，以后的十年间，还发现其他系超导体，常压下T C最高达133K，这些T C高于液氮温度的氧化物超导体称为高温超导体。 一、实验目的 1．（利用直流测量法）测量超导体的临界温度； 2．观察磁悬浮现象； 3．了解超导体的两个基本特性—零电阻和迈斯纳效应。 二、实验仪器 测量临界温度和阻值的成套仪器、迈斯纳效应成套仪器、计算机、CASSY传感器 三、实验原理 1．零电阻现象 处于绝对零度的理想的纯金属，其规则排列的原子（晶格）周期场中的电子的状态是完全确定的，因此电阻为零。温度升高时，晶格原子的热振动会引起电子运动状态的变化，即电子的运动受到晶格的散射而出现电阻Ri。然而，通常金属中总是含有杂质的，杂质对电子的散射会造成附加的电阻。在温度很低时，例如在4.2K以下，晶格散射对电阻的贡献趋于零，这时的电阻完全由杂质散射所引起的，我们称之为剩余电阻Rr，它几乎与温度无关。所以总电阻可以近似表达为 R=Ri(T)+Rr （1） 当温度下降到某一确定Tc（临界温度）时，物质的直流电阻率转变为零的现象被称为零电阻效应。临界温度Tc是由物质自身的性质所确定参量。如果样品结构规整且纯度非常高，在一定温度下，物质由常规电阻状态急剧的转变为零电阻状态，称之为超导态。如果材料化学成分不纯或晶体结构不完整等因素的影响，超导材料由常规电阻状态转变为零电阻状态是在一定的温度间隔中发生的。如图1，我们把温度下降过程中电阻温度曲线开始从直线偏离出的温度的温度称为起始转变温度。我们将电阻缓慢地变化部分（常规电阻状态下）拟合成直线Ⅰ，将电阻急剧变化部分拟合成直线Ⅱ，直线Ⅰ与直线Ⅱ的交点所对应的电阻为正常态
超导体复习题
超导物理复习题 1)简述超导体的基本性质。 2)为什么在T 近代物理实验教程的实验报告 时间过得真快啊！我以为自己还有很多时间，只是当一个睁眼闭眼的瞬间，一个学期都快结束了，现在我们为一学期的大学物理实验就要画上一个圆满的句号了，本学期从第二周开设了近代物理实验课程，在三个多月的实验中我明白了近代物理实验是一门综合性和技术性很强的课程，回顾这一学期的学习，感觉十分的充实，通过亲自动手，使我进一步了解了物理实验的基本过程和基本方法，为我今后的学习和工作奠定了良好的实验基础。我们所做的实验基本上都是在物理学发展过程中起到决定性作用的著名实验，以及体现科学实验中不可缺少的现代实验技术的实验。它们是我受到了著名物理学家的物理思想和探索精神的熏陶，激发了我的探索和创新精神。同时近代物理实验也是一门包括物理、应用物理、材料科学、光电子科学与技术等系的重要专业技术基础物理实验课程也是我们物理系的专业必修课程。 我们本来每个人要做共八个实验，后来由于时间关系做了七个实验，我做的七个实验分别是：光纤通讯，光学多道与氢氘，法拉第效应，液晶物性，非线性电路与混沌，高温超导，塞满效应，下面我对每个实验及心得体会做些简单介绍： 一、光纤通讯：本实验主要是通过对光纤的一些特性的探究（包括对光纤耦合效率的测量，光纤数值孔径的测量以及对塑料光纤光纤损耗的测量与计算），了解光纤光学的基础知识。探究相位调制型温度传感器的干涉条纹随温度的变化的移动情况，模拟语电话光通信， 了解光纤语音通信的基本原理和系统构成。老师讲的也很清楚，本试验在操作上并不是很困难，很易于实现，易于成功。 二、光学多道与氢氘：本实验利用光学多道分析仪，从巴尔末公式出发研究氢氘光谱，了解其谱线特点，并学习光学多道仪的使用方法及基本的光谱学技术通过此次实验得出了氢原子和氘原子在巴尔末系下的光谱波长，并利用测得的波长值计算出了氢氘的里德伯常量，得到了氢氘光谱的各光谱项及巴耳末系跃迁能级图，计算得出了质子和电子的质量之比。个人觉得这个实验有点太智能化，建议锻炼操作的部分能有所加强。对于一些仪器的原理在实验中没有体现。如果有所体现会比较容易使学生深入理解。数据处理有些麻烦。不过这也正是好好提高自己的分析数据、处理数据能力的好时候、更是理论联系实际的桥梁。 三、法拉第效应：本实验中，我们首先对磁场进行了均匀性测定，进一步测量了磁场和励磁电流之间的关系，利用磁场和励磁电流之间的线性关系，用电流表征磁场的大小；再利用磁光调制器和示波器，采用倍频法找出ZF6、MR3－2样品在不同强度的旋光角θ和磁场强度B的关系，并计算费尔德常数；最后利用MR3样品和石英晶体区分自然旋光和磁致旋光，验证磁致旋光的非互易性。 四p液晶物性：本实验主要是通过对液晶盒的扭曲角，电光响应曲线和响应时间的测量，以及对液晶光栅的观察分析，了解液晶在外电场的作用下的变化，以及引起的液晶盒光学性质的变化，并掌握对液晶电光效应测量的方法。本实验中我们研究了液晶的基本物理性质 和电光效应等。发现液晶的双折射现象会对旋光角的大小产生的影响，在实验中通过测量液晶盒两面锚泊方向的差值，得到液晶盒扭曲角的大小为125度；测量了液晶的响应时间。观察液晶光栅的衍射现象，在“常黑模式”和“常白模式”下分别测量了液晶升压和降压过程的电光响应曲线，求得了阈值电压、饱 摘要：自1911年以来，陆续发现某些元素、合金、化合物或其他材料，当温度低于某临界温度T c以下时，电阻小到微不足道，这种现象称为超导电性。具有超导电下哦那个的材料成为超导体。1933年发现超导体具有抗磁性，这种现象称为麦斯纳（Meissner）效应。20世纪70年代发现的超导体主要是元素超导体（包括金属和半导体）和合金超导体，临界温度一般为几K，最高不超过30K,这些称为常规超导体。20世纪80年代以来陆续发现某些铜氧化物超导体，临界温度可达数十K甚至超过100K,这些称为高温超导体。由于高温超导体具有奇特特性和广阔的应用前景，因此，对高温超导现象的理论与实验研究有着重要意义，是当今凝聚态物理一个重要的前沿课题。 关键词：超导体迈斯纳效应BCS理论高温超导体 超导体的基本特征 1超导体的临界温度 我们把电阻突然消失的温度称为超导体的临界温度T C。到目前为止，人们发现周期表中相当一部分元素在各种条件下出现超导电性。 2超导体的临界磁场 用一个磁场加到超导体上之后，当磁场达到某一定值时，超导体就回复了电阻，回到了正常态。假如把磁场平行的加到一根细长的超导棒上，在一定的磁场强度下，棒的电阻突然恢复，使这个电阻突然恢复的磁场值称为临界磁场。 当外磁场强度增加到某一临界值H C时，超导体的导电性受到破坏，材料由超导态转为正常态，临界磁场H c与温度T有关，H c(T)的经验公式为 H C=H C(0)［1-（T/T C）2］[1] (T≦T C) 3临界电流 实验发现，当对超导线通以电流时，无阻的超流态要受到电流大小的限制， 当电流达到某一临界值I C之后，超导体将恢复到正常态，对大多数超导金属元素正常态的恢复是突变的，我们称这个电流为临界电流。 二、迈斯纳效应 1933年德国物理学家Meissner和Ochsenfeld对锡单晶球超导体做磁场分布测量时在弱磁场中把金属冷却进入超导态时的磁感应线似乎一下子被排斥出，保持体内磁感应强度等于零。 当材料处在超导状态时，随着进入超导体内部的增加磁场速度衰减，磁场主要存在于超导体表面一定厚度的薄层内。对于宏观超导体，若把这个薄层看成趋近于零，则可近似认为超导体内部磁感应强度B=0超导体有完全抗磁性，我们称之为理想迈斯纳态，不能理想化的状态称之为一般迈斯纳态。 三、Josephson效应 作为超导载体的Cooper对能以一定几率贯穿能垒,称此为隧道效应。例如,在两层超导物质间夹有厚度为纳米量级的绝缘层,若通过连线导入电流,该电流则以电阻为零的状态流动。 BCS理论的创立 1955年，巴丁应德国出版的《物理学手册》的邀请，写了一篇关于超导理论的述评．这使巴丁对当时的超导研究有了更全面的了解．这时，巴丁已经明确了超导现象的产生涉及3个关键因素：一是电子～声子相互作用；二是能隙的存在：三是速度空间的凝聚． 要真正建立微观理论。关键是要对超导态有一个清晰的物理图像．1956年春天，库珀不负众望，迈出了关键的一步，提出了超导理论所需要的额图像．库珀利用量子场论方法，直接从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用，得到了费米面近旁两个动量和自旋都大小相等而方向相反的电子能结合成对。这种电子对被称为“库珀对”。库珀对的提出成为Bcs理论成功的关键． 超导物理 超导物理作为一个有近百年历史的学科,它是随着对超导电性的研究,认识不断发展起来的,特别是20世纪50年代以来取得了一系列重大突破,引发了今天的"高温"超导电性机理及超导材料研究的热潮. "绝对零度先生"昂内斯发现了神奇的超导现象 .昂内斯于1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根,29岁即1882年就被任命为荷兰莱顿大学物理学教授和实验室主任.晋升后不久,昂内斯受到他的同胞范德瓦尔斯研究的影响,决定在莱顿大学建一个当时在世界上规模最大的低温实验室, 并把全部研究项目都转到低温研究方面.由于有了较好的实验条件,昂内斯于1906年使用真空泵连续真空法,使低温气体获得最大限度的膨胀,这样,他获得了20.4k(零下252. 76℃)的低温,液化了氢气.由于有了大量液态氢,就为进一步液化氦气打下了坚实的基础. 1808年7月10日,液化氦气的关键性实验从凌晨5点半就开始了,经过漫长的13小时之后,实验室的工作人员才在人类科学史上第一次看到了液态的氦.当时,昂内斯激动得不得了,他激动地说:"当我看到了液氦时,那真有点像神话中的幻觉,一切都似乎是奇迹的显现."在实验过程中昂内斯获得了4.2k(零下268.9 6℃) 的低温. 过了两年,昂内斯进一步做了使氦固化的试验,但是没有成功.虽说氦没有固化成功,昂内斯意外地从中却获得了1.04k(零下272.12℃)的低温.这是人类向绝对零度大大逼近了一步.人们为了尊敬昂内斯的贡献,给他送了一个风趣的绰号叫"绝对零度先生".从此,昂内斯更加专心致志于探索物体在低温时表现出的特殊性质. 昂内斯和他的学生开始用汞作为测量对象,因为他认为金属材料纯净与否会大大影响测量.而汞可以用蒸馏法提炼得非常纯净.1911年4月的一天,昂内斯让他的学生霍尔斯特进行实验观察,在观察中发现当温度到4.2k以下时,电阻突然消失了,这使霍尔斯特大为惊讶.但是,昂内斯并不感到过分吃惊,因为这一实验结果与他的猜想相吻合.4月28日,昂内斯公布了他们的这一重要发现.同年11月25日,他又明确指出,"测量表明,从氢的熔点(14.02k)到氦的沸点(4.56k)之间,曲线显示出汞的电阻随温度下降而减小的速度与通常情形一样,是逐渐减小的;但到4.21k与4.19k之间,电阻减小的速度急剧加快;到4.19k时,电阻完全都消失了".就这样,低温超导现象被人类第一次发现. 为了进一步证明电阻真的减到零,昂内斯和他的学生把磁铁穿过水银环路,由于电磁感应产生的电流保持了好几天,这就充分证实了电阻完全消失后的超导现象:即只要超导体内有电流,由于没有电阻,所以原则上电流就会永远流动下去,不会停止.1913年,昂内斯首次在论文中使用了"超导电性"这个词. 美国物理学家巴丁,库珀,施里弗说明了超导现象的微观本质和机制,创立了BCS超导微观理论 超导现象虽说于1911年就发现了,但是直到20世纪40年代末,还只能建立起一个唯象的理论,仅仅只限于解释超导的宏观现象.一直到1957年,关于超导现象的微观本质和它的机制,才由美国物理学家巴丁,库珀和施里弗三人共同解决----他们合作创建了超导微观理论.他们三人创建的这套理论,取每人姓氏的第一个字母进行组合,即被称为"BCS"理论.这一理论提出后,迅即被大量理论研究和实验实践证明它是十分成功的----因为,这一理论能对超导电性作出正确的解释,并极大的促进了电性和超导磁体的研究和应用.所以如此,他们三人于1972年共同获得了诺贝尔物理学奖. Chapter 4 4.1 ??? ? ? ?-=kT E N N n g c i exp 2υ ??? ? ??-??? ??=kT E T N N g O cO exp 3003 υ where cO N and O N υ are the values at 300 K. (b) Germanium _______________________________________ 4.2 Plot _______________________________________ 4.3 (a) ??? ? ??-=kT E N N n g c i exp 2υ ( )( )( ) 3 19 19 2 113001004.1108.2105?? ? ????=?T ()()?? ????-?3000259.012.1exp T () 3 382330010912.2105.2?? ? ???=?T ()()()()?? ????-?T 0259.030012.1exp By trial and error, 5.367?T K (b) () 252 12 2105.2105?=?=i n ( ) ()()()()?? ????-??? ???=T T 0259.030012.1exp 30010912.23 38 By trial and error, 5.417?T K _______________________________________ 4.4 At 200=T K, ()?? ? ??=3002000259.0kT 017267.0=eV At 400=T K, ()?? ? ??=3004000259.0kT 034533.0=eV ()()()() 172 22102 210025.31040.11070.7200400?=??= i i n n ? ? ????-??????-???? ??? ?? ??=017267.0exp 034533.0exp 3002003004003 3 g g E E ?? ? ???-=034533.0017267.0exp 8g g E E ()[] 9578.289139.57exp 810025.317-=?g E or ()1714.38810025.3ln 9561.2817=??? ? ???=g E or 318.1=g E eV Now ( ) 3 2 1030040010 70.7?? ? ??=?o co N N υ 高温超导材料特性和低温温度计实验报告 学号：39051609 姓名：齐德轩日期：2011/4/15 一、实验目的 1.了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法 2.学习三种低温温度计的工作原理和使用以及进行比对的方法 3.了解液氮使用和低温温度控制的简单方法 二、实验原理 1.超导体和超导电性 （1）常用临界温度Tc，临界磁场Bc和临界电流Ic作为临界参量来表征材料的超导性能。温度的升高、磁场或电流的增大，都可以使超导体从超导状态转 变为正常态。Bc和Ic都是温度的函数。 （2）迈斯纳效应 不论有没有外加磁场，是样品从正常态转变为超导态，只要T 课程实习报告 HUNAN UNIVERSITY 题目：半导体物理与器件 学生姓名：周强强 学生学号：20100820225 专业班级：通信二班 完成日期：2012.12.22 运行结果截图： 2.2 函数(),cos(2/)V x t x t πλω=-也是经典波动方程的解。令03x λ≤≤，请在同一坐标中 绘出x 的函数(),V x t 在不同情况下的图形。 (1)0;(2)0.25;(3)0.5;(4)0.75;(5)t t t t t ωωπωπωπωπ =====。 3.27根据式（3.79），绘制出0.2()0.2F E E eV -≤-≤范围内，不同温度条件下的费米-狄拉克概率函数：()200,()300,()400a T K b T K c T K ===。 4.3 画出a （）硅，b （）锗，c （）砷化镓在温度范围200600K T K ≤≤内的本征载流子浓度曲线 （采用对数坐标）。 4.46 已知锗的掺杂浓度为15 3a =310 cm N -?，d =0N 。画出费米能级相对于本征费米能级的位 置随温度变化 200600)K T K ≤≤（的曲线。 5.20硅中有效状态密度为 19 3/2c 2.8 10()300T N =? 193/2 1..0410() 300 T N ν=? 设迁移率为 3/2 n =1350300T μ-?? ? ?? 3/2 =480300T ρμ-?? ? ?? 设禁带宽带为g =1.12V E e ，且不随温度变化。画出200600K T K ≤≤范围内，本征电导率随绝对温度T 变化的关系曲线。 超导体的电磁学性质及热力学解释 超导电是在低温下具有广泛性的现象，现在已知道，有二十多种元素，大量的化合物，都在一定的临界温度下，转入所谓超导电状态。超导体与温度、磁场、电流密度的大小密切相关，这些条件的上限分别称为临界温度(critical temperature, Tc)、临界磁场(critical magnetic field, Hc)和临界电流密度(critical electric current density, Jc)。超导电性有两个最基本的特性：完全导电性和完全抗磁性。常压下，元素中超导临界温度最高的是Nb(9.26K)，最低的是Rh(0.0002K)。近年来人们始终在努力寻求临界温度更高的所谓高 Tc 超导材料，到目前为止，已经发现了三代高温超导材料，第一代为镧系高温超导材料，第二代为钇系高温超导材料，第三代为铋系、铊系及汞系高温超导材料。 1.超导体的电磁学性质 1.1 零电阻 1911年荷兰物理学家昂内斯(H.R.Onnes)在研究水银在低温下的电阻时，发现当温度降低至4.2K以下后，水银的电阻突然消失，呈现零电阻状态。昂内斯便把这种低温下物质具有零电阻的性能称为超导电性。 电阻是用灵敏电位计测量通过一定电流样品上的电压降而确定的，样品本身被浸在液氦中。当时发现 Hg 的电阻在 4.2K 左右陡然下降。实验证明，测量电流愈小，电阻变化愈尖锐，用足够小的测量电流能使电阻的下降集中发生在 0.01K 的狭窄范围内。在这个转变温度以下，电阻完全消失。 汞在液氦温度左右的电阻变化如下图所示。 上述检测方法由于仪器的灵敏度问题而受到质疑。Onnes利用“持久电流”实验解决了这个问题。在外磁场作用下，使环状的样品发生上述转变，然后撤去磁场，这时在环内产生感生电流。他发现当温度降到临界温度以下，用磁针在低温容器之外检验感生电流，结果在很长时间内，完全不能发现任何变化。而温度提高到临界温度以上时，电流立即消失。 总结大量的实验，可以认为已经完全确立，许多物质在一定的转变温度下，电阻完全消失，物质转变到所谓超导电状态。 超导物理作为一个有近百年历史的学科，它是随着对超导电性的研究、认识不断发展起来的，特别是50年代以来取得了一系列重大突破，引发了今天的高温超导电性机理及超导材料研究的热潮。 昂内斯(中间白衣者)在他所创立的低 温实验室内 昂内斯(1853～1926) 荷兰低温物理 学家 1908年成功地液化了氦气，1911年 发现了某些金属在液氦温度下电阻 突然消失，即“超导电性”现象，于 1913年获奖。 巴丁(1908～1991) 美国物理学家 库珀(1930～) 美国物 理学家 施里弗(1931～) 美国物理学家 1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论，于1972年获奖。这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。 用于电子对撞机的超导线圈，重达65吨。 。 约瑟夫森(1940～) 英国物理学家1962年预言存在超导电子对隧道电流，第二年这一预言被实验证实，并被命名为约瑟夫森效应，1973年获奖 贾埃弗(1929～) 挪威裔美国物理学家1957年完成了量子隧道效应实验，并于1963年完成了超导体隧道效应实验。于1973年获奖。 约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。 K.A.缪勒(1927～) 瑞士物理学家 1983年缪勒和柏德诺兹合作进行超导研究，三年后发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于1987年获奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。 超导研究已长达近一个世纪，20年前超导应用在科学界还被认为是一种侈谈。而今天，它已在科研、医疗、交通、通信、军事、电力和能源等领域得到了应用。但这只是序幕，超导研究与应用在21世纪将为我们展现更加绚丽辉煌的前景。 柏德诺兹(1950～) 德国物理学家 应用超导体的磁悬浮列车实验装置 超导体物理教案 知识目标 了解超导体以及超导体在现代科学技术中的应用. 能力目标 通过超导体知识的学习，扩展知识面. 情感目标 知道超导体在现代以及未来科技中的重要性，学习科学家的坚韧精神. 教学建议 教材分析 教材从介绍昂尼斯发现水银超导现象的物理学史知识入手，讲述超导体的一般概念，基础知识. 进一步讲解超导的优点、缺点和目前科学家面临的问题. 教法建议 本节的教学要注重科技的联系，避免孤立的学习，要注意联系实际． 可以提出问题学生自主学习，学生根据提出的问题，可以利用教材和教师提供的一些资料进行学习． 也可以教师提出课题，学生查阅资料，从收集资料、信息的过程中学习，提高收集信息和处理信息的能力． --方案 【教学过程设计】 方法1、学生阅读教材，教师提供一些关于超导体的材料，教师提出一些问题，学生阅读时思考，例如：什么是超导体现象？采用超导体有什么经济效益？ 方法2、对于基础较好的班级，可以采用实验探究和信息学习的方法．实例如下 实验探究：可以组织学生小组，图书馆、互联网查阅有关超导体方面的资料，小组讨论，总结超导体的优点、缺点以及讨论超导体的未来发展方向. 【板书设计】 1．超导体 概念 超导现象 2．超导体的优缺点 3.我国的超导体的研究 探究活动 【课题】超导现象的历史 【组织形式】个人或学习小组 【活动流程】 制订子课题；制订查阅和查找方式；收集相关的材料；分析材料并得出一些结论；评估；交流与合作. 【参考方案】 1、尝试总结超导体的发展现况. 2、讨论超导体的未来发展趋势. 【资料来源】 1、图书馆、互联网查找资料. 2、交流，发现共性和差异. 感谢您的阅读。 祝语：还是那株山茶花，芬芳而美丽，那红色是天空的彩霞，是情人脸上的娇羞，是山谷中的胜景，是心里永远的秘密。 ( 实验报告) 姓名：____________________ 单位：____________________ 日期：____________________ 编号：YB-BH-054001 近代物理实验教程的实验报告Experimental report of modern physics experiment course 工作报告| Work Report 实验报告近代物理实验教程的实验报告 时间过得真快啊！我以为自己还有很多时间，只是当一个睁眼闭眼的瞬间，一个学期都快结束了，现在我们为一学期的大学物理实验就要画上一个圆满的句号了，本学期从第二周开设了近代物理实验课程，在三个多月的实验中我明白了近代物理实验是一门综合性和技术性很强的课程，回顾这一学期的学习，感觉十分的充实，通过亲自动手，使我进一步了解了物理实验的基本过程和基本方法，为我今后的学习和工作奠定了良好的实验基础。我们所做的实验基本上都是在物理学发展过程中起到决定性作用的著名实验，以及体现科学实验中不可缺少的现代实验技术的实验。它们是我受到了著名物理学家的物理思想和探索精神的熏陶，激发了我的探索和创新精神。同时近代物理实验也是一门包括物理、应用物理、材料科学、光电子科学与技术等系的重要专业技术基础物理实验课程也是我们物理系的专业必修课程。 我们本来每个人要做共八个实验，后来由于时间关系做了七个实验，我做的七个实验分别是：光纤通讯，光学多道与氢氘，法拉第效应，液晶物性，非线性电路与混沌，高温超导，塞满效应，下面我对每个实验及心得体会做些简单介绍： 一、光纤通讯：本实验主要是通过对光纤的一些特性的探究（包括对光纤耦合效率的测量，光纤数值孔径的测量以及对塑料光纤光纤损耗的测量与计算）， 第2页 Chapter 3 3、1 If were to increase, the bandgap energy would decrease and the material would begin to behave less like a semiconductor and more like a metal、 If were to decrease, the bandgap energy would increase and the material would begin to behave more like an insulator、 _______________________________________ 3、2 Schrodinger's wave equation is: Assume the solution is of the form: Region I: 、 Substituting the assumed solution into the wave equation, we obtain: which bees This equation may be written as Setting for region I, the equation bees: where Q、E、D、 In Region II, 、 Assume the same form of the solution: Substituting into Schrodinger's wave equation, we find: This equation can be written as: Setting for region II, this equation bees where again Q、E、D、 _______________________________________ 3、3 We have Assume the solution is of the form: The first derivative is and the second derivative bees Substituting these equations into the differential equation, we find bining terms, we obtain We find that Q、E、D、 For the differential equation in and the proposed solution, the procedure is exactly the same as above、 _______________________________________ 3、4 We have the solutions for and for 、 The first boundary condition is which yields The second boundary condition is which yields The third boundary condition is which yields 超导材料基础知识介绍 超导材料具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。 ①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 ②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 ③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量有以下 3个基本临界参量。 ①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 ②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。 ③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic 称为临界电流密度，以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶 9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图： 电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触 附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。 2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低 附常规npn截面图 造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。 通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。称为正向有源。附图： 由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。 附基区中电子浓度示意图： 电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区， 超导理论 1911年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。这一发现轰动了全世界的科学家，大家纷纷想要揭开超导的奥秘，因为只有了解了超导现象的微观机理，才能使它为人类作出更大的贡献。1955年金秋季节，巴丁与他的研究生罗伯特·施里弗，以及另一位年轻的博士利昂·库珀组成了一个探索超导现象微观机理的研究小组，开始朝这一神秘的领域进发。最终创立一套完整的超导微观理论。他们三人荣幸地分享了1972年度的诺贝尔物理学奖。这一理论也以他们姓氏的头一个字母命名，称为“BCS理论”。 在很长一段时间内，超导材料的临界温度都在相当低的温度范围内徘徊，1986年，从瑞士苏黎士的IBM实验室传来了激动人心的消息：钡镧铜氧化物的临界温度达到30K。根据BCS理论，超导最高临界温度不会超过40K，而现在却早已远远地超过了这一极限，必须寻找新的理论。美国物理学家菲利普·安德森也提出了一个新的超导理论，他一反“库珀对”的常规，认为电子不是互相吸引而是互相排斥，正是这种排斥才使电子与电子挨近了，结合了。中国复旦大学的陶瑞宝也提出了一个超导的激子渗流理论，这一理论认为，处于超导态下的电子具有特殊的能带结构，这些电子形成的电子波在晶体中互相迭加，当在这晶体中通以电流时，电子就会绕过晶体中的点阵，沿电子波迭加的方向运动，不会产生阻力，由此便产生了超导现象。 超导现象真正的微观机理还是一个谜，解开这个谜将是人类的又一大进步。 1 超导体的性质 超导现象的发现 超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。 19世纪末，低温技术获得了显著的进展，曾一向被视为“永久气体”的空气被液化了。1877年氧气被首先液化，液化点也就是我们所说的常压下沸点是-183℃（90K）。随后人们又液化了液化温度是-196℃的氮气。1898年杜瓦（J.Dewar）第一次把氢气变成了液体氢，液化温度为-253℃，他并发明了盛放液化气的容器——杜瓦瓶。 最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯。1908年卡麦林·昂纳斯液化氦（-259℃）成功，从而达到一个新的低温区（4.2K以下），他在这样的低温区内测量各种纯金属的电阻率。 1911年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。昂纳斯接着用水银做实验，发现水银在4.1K时（约相当于-269℃），出现了这种超导现象；不但纯汞，而且加入杂质后,甚至汞和锡的合金也具有这种性质。他把这种性质称为超导电性。他又用铅环做实验，九百安培的电流在铅环中流动不止，两年半以后仍旧毫无衰减。 1932年霍尔姆和卡茂林－昂尼斯都在实验中发现，隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属，没有外加电压时也有电流流过。1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质。 超导体的基本性质 1、零电阻效应 在超导条件下，电阻等于零是超导体的最显著的特性。如果将一金属环放在磁场中,突然撤去磁场,在环内就会出现感生电流。金属环具有电阻R和电感L。由于焦耳热损耗,感生电流会逐渐衰减到零，衰减速度与L和R的比值有关,L/R的值越大，衰减越慢。如果圆环是超导体，则电阻为零而电感不为零；因此电流会毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已在多次实验中观察到。测量超导环中持续电流变化的实验给出，样品铅的电阻率小于3.6×10-2欧姆厘米，它比铜在室温下的电阻率1.6×10-6欧姆厘米还要小4.4×1016倍。这个实验结果表明超导体的电阻率确实是零。 大学物理实验报告超导磁悬浮现象分析及其应用 姓名： 学号： 学院：信息学院 专业：计算机科学与技术 指导教师： 8年月日 超导磁悬浮现象分析及其应用 摘要：通过对超导磁悬浮现象的研究，分析后得出超导原理及超导磁悬浮现象的应用方法。 关键字：超导磁悬浮迈斯纳效应 【知识简介】 1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂 内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时， 汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属 和合金都具有与上述汞相类似的低温下失 去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡 末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他 的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。 1933年德国物理学家迈斯纳 （W.Meissner）和奥森菲尔德 （R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场 分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进 入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁 力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处 于超导态时，体内的磁场恒等于零。 超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。 此外，超导体还是完全的抗磁体，外加磁场无法进入或（严格说是）大范围地存在于超导体内部，这是超导体的另一个基本特性。 【实验步骤】 1)备一个小型液氮容器，最好是模压泡沫容器（如：仪表包装衬套即可） 2)将小车下面垫上8mm左右的硬纸板放在磁性导轨上 3)取下小车上盖，将液氮倒入小型液氮容器，再倒入车体容器中（内有超导块），大约过 2-3分钟，使超导块充分冷却，盖上车盖，撤下硬纸板，小车悬浮在导轨上方 4)接上驱动变压器，将其电压调到4.5V左右，打开驱动开关（在导轨托板的前方） 5)用手给车一个驱动力，使小车顺着驱动器的转动放线运动，使小车受到一个向前的驱动 力的作用，车就会沿着磁性导轨持续运动起来【实验报告】近代物理实验教程的实验报告
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