高温超导材料特性测试和低温温度计

指导老师：熊俊

摘 要：利用液氮获得低温，测量在低温情况下高温超导材料的电阻，测得其起始转变温度为93.131K左右和零电阻温度为91.950K左右，同时确定铂电阻、硅二极管及温差热电偶温度计测温参量的变化关系，并演示超导体磁悬浮现象，测量在零场冷和场冷条件下磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。

关键词：液氮、高温超导、铂电阻、硅二极管、温差热电偶

一、        引言

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。一般达到超导状态需要很低的温度，大大约束了超导材料的实际应用。从1911年发现超导现象至今，人们一直为提高超导材料的临界温度而努力。1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

二、        实验原理

2.1    超导体的基本特征

当电流、磁场及其它外部条件（如应力、辐照等）保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的量高温度，被定义为临界温度。实验上，用电阻法测定临界温度时，一般都会得以如图 1曲线，在此曲线中，通常把降温过程中电阻温度曲经开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度T_c,onset，把临界温度T_c定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度T_cm。把电阻变化10%到90%所对应的温度区间定义为转变宽度，反应了样品的好坏程度。

1933年，Meissner通过实验发现，无论加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零，即使超导体在处于外磁场中冷却到超导态，也永远没有内部磁场，它与加磁场的历史无关。这个效应被称为Meissner效应。

磁场加到超导体上之后，一定数量的磁场能量用来立屏蔽电流的磁场以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许有磁场穿过，即破坏了超导电性。从磁感线的模型上分析，可以认为，对于超导体，当外界磁场过强时，部分磁感线会穿过超导体，并被“禁锢”于其中，而此时超导体仍处于零电阻的超导态，此状态为超导的混合态，而此时的超导体具有一定的磁性。

2.2    电阻温度特性

对于纯金属材料，电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。金属中，总电阻率可以表示为：

( 1)式中，表示晶格热振动对电子散射引起的电阴率，与温度有关，电阻与温度的关系决定于晶格振动散射。表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，在金属中杂质和缺陷散射的响一般是不依赖于温度的，而与杂质与缺陷的密度成正比。正因如此，杂质与缺陷只会改变金属电阻率的数值，而不会改变电阻率的温度系数。正因为金属电阻率中有一项十分依赖于温度的存在，所以金属可以用来作为温度计的测温元件。

对于半导体材料，本征半导体的电阻率为

电阻率由载流子浓度及迁移率决定。但由于载流子浓度随温度升高而指数上升，迁移率随温度升高而下降较慢，所以本征半导体的电阻率随温度上升而单调下降，有负的温度系数。对于杂质半导体，载流子由杂质电离及本征激发产生，其电阻率与温度的变化关系较为复杂。总体上，可以理解为：极低温度下，几乎没有自由载流子，电导为“杂质能级电导”，电阻随温度的上升而迅速下降；低温下，本征激发可以忽略，载流子主要由杂质电离产生，浓度随温度上升而上升，迁移率随温度升高而增加，温度系数为负；温度再高的饱和区，本征激发还不明显，杂质已全部电离，载流子浓度也不再变化，由声子散射，温度系数为正；其后的本征区，载流子主要由本征激发提供，浓度随温度升高而迅速增加，其温度系数又为负。

由于半导体在一定温度范围内具有负的电阻温度系数，根据半导体低温区电阻温度关系，可以用半导体制作温度计的测温元件。本实验的另一个主要目的就是为硅二极管温度计定标。

2.3    测量原理以及测量设备

为了得到从液氮的正常沸点77.4 K到室温范围内的任意温度，我们采用如图2所示的低温恒温器和杜瓦容器。电测量设备的核心是一台称为“BW2 型高温超导材料特性测试装置”的电源盒和一台灵敏度为1μV 的PZ158 型直流数字电压表。

电阻测量的原理电路如图3所示。其中，Rn、Un为标准电阻及其上电压，Ux为待测样品电压。

低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线又细又长，其阻值远远超过如超导样品阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用 “四引线测量法”，基本原理是：恒流源通过两根电流引线将测量电流I 提供给待测样品，数字电压表通过两根电压引线测量电流I 在样品上形成的电势差U. 由于两根电压引线与样品接点处在两根电流引线接点之间，排除了电流引线与样品之间接触电阻对测量的影响，又数字电压表输入阻抗很高，电压引线电阻以及它们与样品间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。另外，在低温物理实验中，即使电路中没有来自外电源的电动势，只要存在材料的不均匀性和温差，就有温差电动势存在，称为乱真电动势或寄生电动势，所以增设了电流反向开关，用以进一步确定超导电阻确已为零。铂电阻、硅二极管测量电路、超导样品测量电路、温差电偶及定点液面计的测量电路及电加热器电路分别如图4所示。

   实验开始前先把“BW2 型高温超导材料特性测试装置”(以下称“电源盒”)面板上虚线所示的待连接导线按图4所示接好，并将PZ158 型直流数字电压表与“电源盒”面板上的“外接PZ158 ”相连接。将“装置连接电缆”两端的19 芯插头分别插在低温恒温器拉杆顶端及电源盒右侧面的插座上。打开PZ158 型直流数字电压表的电源开关(将其电压量程置于200 mV 档)以及“电源盒”的总电源开关，并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品三个分电源开关，调节铂电阻温度计工作电流为1 mA，硅二极管温度计工作电流为100μA，测量并记录其室温的电流和电压数据。

三、        实验内容

1.       室温测量：在室温下测量铂电阻、硅二极管和超导样品等的电阻。

2.       液氮的灌注：先检查杜瓦容器中是否有剩余液氮或其他杂物，如有需倒出；联通储存用的杜瓦容器与实验用的杜瓦容器，关闭储存杜瓦容器的同大气的阀门使其中的氮气压强升高将液氮压入实验用杜瓦容器中。

3.       低温温度计的比对：每隔一定时间测量一次各温度计的测温参量，进行温度计比对。

4.       超导转变曲线的测量：测量超导体的电阻随铂电阻温度计所给出的温度的变化，测量点的选取可视超导体电阻变化的快慢而定，在这些测量点，应根据需要同时测量个温度计的测温参量，进行低温温度计的比对。而后利用电流反向获得电压是否改变来判定该超导样品的零电阻温度。

5.       高温超导体的磁悬浮演示：混合态效应和完全抗磁性

6.       高温超导体的磁悬浮力测量：改变超导盘片与磁块之间的距离，定量测量高温超导体磁悬浮力的变化。

四、        数据处理及分析

3      

4      

4.1     超导的转变温度与低温温度计

在室温情况下依次打开铂电阻温度计、硅二极管温度计和超导样品的电源开关，校准通过其标准电阻的电流后进行测量，如表1所示

此时可以发现超导样品在室温下具有电阻，与之后温度降低后可以做出对比。

由于铂电阻温度计性能较为稳定，这里采用铂电阻温度计来标定温度，可以根据铂电阻两端的电压随温度的变化，查找铂电阻与温度的关系表来确定某一时刻的温度，具体数值如表2所示。

由于实验中采用5mA的恒流源给超导样品通电，所以根据此表格可以画出超导样品电阻随温度的变化曲线，如图5所示。

从图5中以及表格1中可以看出，电阻从93.131K温度处开始急剧下降，而当温度降到91.950K左右时，其电阻也就变为零了。实验过程中，可以看出十分明显的相变过程。以临界温度的定义，可知此样品的临界温度大约为92.54K，这也与此样品的相应参数相吻合。

在测量的同时，本实验还对硅二极管温度计进行了标定。结果如图6所示。同样可以发现在测量范围内硅二极管的电阻与温度成线性关系。拟合得到的关系为R = -23.401T + 12011，电阻单位Ω，温度单位K。前面已经分析过，半导体在很长一个温度区间内都有一个负的温度系数，其导电主要由杂质电离所致。实验所测得的数据可以看出，此温度范围内随着温度的下降，半导体的正向电阻的确在上升，温度系数为负，与理论所预期的相符。

实验过程中，还对温差电偶温度计进行了定标，测量得到了温差电动势与温度的关系如图7所示。可以发现温差电动势与样品的温度成线性关系。可以求得拟合直线为：

U = 0.0193T - 1.5388。电压单位mV，温度单位K。

4.2 超导体的抗磁性实验

在测量超导体的磁悬浮力的实验上，我们分别在无磁场的情况下与有磁场的情况下让超导体发生相变，测量其磁悬浮力。在无磁场时，令磁体从远距离受逐渐接近超导体，在几乎接触时再逐渐远离，测量这一过程中的受力。仪器上，显示力为正值时表示的是排斥力，负值时为吸引力。实验测得无磁场下相变的超导体的磁悬浮力如图8所示。

可以看出，当磁体开始接近超导体时，超导体给磁体的力为斥力，并且随着距离的接近，斥力急剧增大；当磁体远离超导体时，超导体给校验体的斥力随距离的拉大急剧减小，甚至出现了表现为引力的情况，这与理想超导理论的预期不符，故知当磁体与超导体距离很近时，由于磁场十分强，使超导体进入混合态，一部分磁感线“留”在了超导体内，并被超导体所禁锢。所以磁体接近超导体时的曲线与预期相符，但是当磁体远离超导体时，由于磁感线被禁锢在超导体中，使得当距离远到一定程度时，磁感线无法从超导体中脱离，故产生了引力。

在有磁场存在时使超导体相变的实验中，首先使磁体与超导体接近，在此情况下使超导体相变，相变后使测力计清零，测量磁体远离超导体过程中所受到的引力的变化，以验证超导体混合态的存在。实验测量的磁悬浮力曲线如图9所示。

在场冷情况下，由于超导体处在混合态中，内部保存了一定的磁能，反映出来就是对空间有一个固定的磁场影响，从图中可以看出，距离拉大时，磁体的确受到了引力的作用，这与我们所预期的混合态的现象是相符的。

五、        总结

本实验利用液氮创造低温环境，测量了高温超导材料样品的超导转变临界温度为92.54K，并在实验同时对温差电偶温度计以及硅半导体温度计进行了温度定标，测得在实验的温度范围内，测量得到了温差电动势与样品的温度关系为U = 0.0193T - 1.5388、半导体温度计电阻与温度的关系为R = -23.401T + 12011。在磁悬浮实验上，我们分别测量了无磁场条件下相变（零场冷）的高温超导体样品的以及有磁场条件下相变（场冷）的高温超导体样品的磁悬浮力与距离的关系，认为此超导体在强磁场下进入了混合态，而在场冷条件下的实验证实了我们的假设。

建议：在对样品进行降温的过程中一定要有耐心，不能一下把紫铜圆筒放入液氮中，否则将会丢失很多数据。

六、        参考文献

[1]熊俊.近代物理实验补充讲义

第二篇：超导体报告

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。

(一)超导材料特性

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。 超导现象是20世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时，如铅在7.20K（-265.95摄氏度）以下，电阻就变成了零。

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。

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。

同位素效应

超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

（二）基本临界参量

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19xx年，临界温度最高值已提高到100K左右。

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。

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19xx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19xx年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。19xx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19xx年诺贝尔物理学奖金。

（三）超导材料分类

超导元素

在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。

合金材料

超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc

超导材料性质研究

=9.3K，Hc=12特(4.2K)。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。

超导化合物

超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。④

超导陶瓷

20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于19xx年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。19xx年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

（四）超导材料应用

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

（五）超导材料研究历史

19xx年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为

1.196K，铅为7.193K。

超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从19xx年到19xx年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。 19xx年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。

19xx年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又

将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。

19xx年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1/100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。

（六）超导科学研究

非常规超导体磁通动力学和超导机理

主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T<Tc时用强磁场破坏超导达到正常态时的输运性质等。对有望表现出高温超导电性的体系象有机超导体等以及在强电方面具有广阔应用前景的低温超导体等，也将开展其在强磁场下的性质研究。

强磁场下的低维凝聚态特性研究

低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。低维不稳定性导致了多种有序相。强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。主要研究内容包括：有机铁磁性的结构和来源 可用作超导材料的金属在周期表上的分布；有机（包括富勒烯）超导体的机理和磁性；强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；低维磁性材料的相变和磁相互作用；有机导体在磁场中的输运和载流子特性；磁场中的能带结构和费米面特征等。

强磁场下的半导体材料的光、电等特性

强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。

强磁场下极微细尺度中的物理问题

极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性；量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应；以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。

强磁场化学

强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松弛，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。强磁场化学是应用基础性很强的新领域，有一系列理论课题和广泛应用前景。近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。

（七）磁体科学和技术

强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的（获85年诺贝尔奖）。量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情，并在建立电阻的自然基准，精确测定基本物理常数e，h和精细结构常数(=e2/h(0c等应用方面，已显示巨大意义。高温超导电性机理的最终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。

熟悉物理学史的人都清楚，由固体物理学演化为凝聚态物理学，其重要标志就在于其研究对象的日益扩大，从周期结构延伸到非周期结构，从三维晶体拓宽到低维和高维，乃至分数维体系。这些新对象展示了大量新的特性和物理现象，物理机理与传统的也大不相同。这些新对象的产生以及对新效应、新现象的解释使得凝聚态物理学得以不断的丰富和发展。在此过程中，极端条件一直起着至关重要的作用，因为极端条件往往使得某些因素突出出来而同时抑制其它因素，从而使原本很复杂的过程变得较为简单，有利于直接了解物理本质。 相对于其它极端条件，强磁场有其自身的特色。强磁场的作用是改变一个系统的物理状态，即改变角动量（自旋）和带电粒子的轨道运动，因此，也就改变了物理系统的状态。正是在这点上，强磁场不同于物理学的其他一些比较昂贵的手段，如中子源和同步加速器，它们没有改变所研究系统的物理状态。磁场可以产生新的物理环境，并导致新的特性，而这种新的物理环境和新的物理特性在没有磁场时是不存在的。低温也能导致新的物理状态，如超导电性和相变，但强磁场极不同于低温，它比低温更有效，这是因为磁场使带电的和磁性粒子的远动和能量量子化，并破坏时间反演对称性，使它们具有更独特的性质。

强磁场可以在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间的对称性，这对固体的能带结构以及元激发及其互作用等研究是非常重要的。固体复杂的费米面结构正是利用强磁场使得电子和空穴在特定方向上的自由运动从而导致磁化和磁阻的振荡这一原理而得以证实的。固体中的费米面结构及特征研究一直是凝聚态物理学领域中的前沿课题。当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点都离不开强磁场这一极端条件，甚至很多是以强磁场下的研究作为基础。如波色凝聚只发生在动量空间，要在实空间中观察到此现象必需在非均匀的强磁场中才得以可能。又如高温超导的机理问题、量子霍尔效应研究、纳米材料和介观物体中的物理问题、巨磁阻效应的物理起因、有机铁磁性的结构和来源、有机（包括富勒烯〕超导体的机理和磁性、低维磁性材料的相变和磁相互作用、固体中的能带结构和费米面特征以及元激发及其互作用研究等等，强磁场下的研究工作将有助于对这些问题的正确认识和揭示，从而促进凝聚态物理学的进一步发展和完善。

带电粒子象电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。因此，研究强磁场对化学反应过程、表面催化过程、材料特别是磁性材料的生成过程、生物效应以及液晶的生成过程等的影响，有可能取得新的发现，产生交叉学科的新课题。强磁场应用于材料科学为新的功能材料的开发另辟新径，这方面的工作在国外备受重视，在国内也开始有所要求。高温超导体也正是因为在未来的强电领域中蕴藏着不可估量的应用前景才引起科技界乃至各国政府的高度重视。因此，强磁场下的物理、化学等研究，无论是从基础研究的角度还是从应用角度考虑都具有非常重要的科学和技术上的意义，通过这一研究，不仅有助于将当代的基础性研究向更深层次开拓，而且还会对国民经济的发展起着重要的推动作用。