第四章磁传感器教案分析.ppt

S S N N H H （c） （b） （a） （a）T＞Tc H ≠ 0 （b）T＜TC H ≠ 0 （c）T＜TC H = 0 理想导电性实验 1、理想导电性——零电阻特性 若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下去 ，因无电阻。 （a） （b） 迈斯纳效应示意图 （a）正常态时，超导体内部磁场分布 （b）在超导态时，超导体内部磁场分布 2、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应， 或排磁效应 超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。 根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时， 图(a)中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图(b)中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。 N S 超导球 磁导盘 （a） （b） 磁悬浮现象示意图 超导环 假定有一中空圆筒形超导体(如图)并 按下列步骤进行： (1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。 (2)超导态筒的中空部分有磁场。 3、 磁通量子化 感生电流 H≠0 TTC 冻结磁通示意图 (3)超导态撤掉磁场H，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场保持不变。称为冻结磁通现象。 超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取φ0的整数倍，而不能取任何别的值。 h—普郎克常数，e —电子电量，φ0—磁通量量子，磁通量自然单位 中空部分通过的总磁通量 该图是两块超导体中间隔着一厚度仅10～30?的绝缘介质层而形成的 “超导体—绝缘层—超导体”的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊 结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性质。 超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。 绝缘层 超导体 超导体 超导结示意图 4、约瑟夫逊效应 直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。 实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即 f = KV 式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。 根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。 可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。 约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小，如图。 超导结的Ic-H曲线 0 1 2 3 4 5 6 20 10 H Ф=0 Ic 5、IC—H 特性 根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电流Imax与φ的关系式 φ——沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量； φ0——磁通量子； IC(0)——没有外磁场作用时，超导结的临界电流。 IC是的φ周期函数 超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理, 用于磁场测量。如,若在超导结的两端接上电源,电压表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC,此时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极大值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子φ0,可得到透入超导结的磁通量φ=nφ0。而磁通量和磁场H成正比关系,如果能求出φ,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则磁通量亦随变化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n乘以φ0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。 临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。 测磁原理: 测量外磁场的灵敏度与测定振荡的次数n的精度及φ的大小有关。设n可测准至一个周期的1/100，则测得最小的变化量应为φ0/100=2×10-17T·m2。若假设磁场在超导结上的透入面积为L·d (L是超导结的宽度，一般为0.lmm左右；d是磁场在介质层及其两侧超导