高温超导材料特性和低温温度计实验报告
物理高温超导实验报告
一、实验目的本次实验旨在探究高温超导材料的物理特性，了解其超导临界温度、临界电流密度等关键参数，并通过实验验证高温超导材料在实际应用中的可行性。
二、实验原理高温超导材料是指在较高温度下仍能保持超导特性的材料。
超导现象是指某些材料在温度降低到一定临界温度以下时，其电阻突然降为零的现象。
高温超导材料的发现，突破了传统超导材料对低温环境的依赖，具有广泛的应用前景。
本实验采用三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品，利用高压光学浮区技术制备。
在高压条件下，样品表现出压力诱导的体超导电性，超导体积分数高达86%。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 高压光学浮区装置- 超导测量系统- 低温恒温器- 磁场发生器- 电流表、电压表- 数据采集器2. 实验材料：- 三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品- 低温液氮四、实验步骤1. 将三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品置于高压光学浮区装置中，进行高压处理。
2. 将高压处理后的样品置于超导测量系统中，测量其超导临界温度。
3. 在不同温度下，对样品施加不同电流，测量其临界电流密度。
4. 在不同磁场下，测量样品的超导临界磁场。
5. 利用数据采集器记录实验数据，进行分析和处理。
五、实验结果与分析1. 超导临界温度：通过实验测量，三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品的超导临界温度为30K。
2. 临界电流密度：在不同温度下，样品的临界电流密度随温度升高而降低。
在超导临界温度附近，临界电流密度达到最大值。
3. 超导临界磁场：在超导临界温度附近，样品的超导临界磁场较低。
4. 分析与讨论：本实验验证了三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品在高压条件下具有压力诱导的体超导电性。
实验结果表明，该材料在高温超导领域具有较高的应用潜力。
六、结论通过本次实验，我们成功探究了高温超导材料的物理特性，包括超导临界温度、临界电流密度和超导临界磁场等关键参数。
实验结果表明，三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品在高压条件下具有良好的高温超导性能，为高温超导材料的应用提供了新的思路和方向。
高温超导 实验报告
不同的材料，电阻率随温度的变化有很大的差别，它反映了物质的内部属性，是研究物质性质的基本方法之一。当温度高于绝对温度时，在金属中，电子的定向运动受到晶格的散射而呈现出电阻。研究表明，当（T/）>0.5时，金属的电阻正比于温度T，其中是德拜温度。
上述结论是对纯金属而言，而实际上金属存在杂质、缺陷、位错等，它们会对金属造成附加电阻，这部分电阻近似地与温度无关。在金属的纯度很高时，金属的总电阻率可表示为
图一四端接线法
在直流低电压测量中，如何判断和修正乱真电势带来的影响是十分重要的。实际上，由于材料的不均匀性和温差，就有温差电势的存在。通常称为乱真电势或寄生电势。我们只要用一段短的导线把数字电压表短接，用手靠近其中一个接线端来改变温度，我们就会看到数字电压表读数的变化。在低温实验中，待测样品和传感器处在低温中，而测量仪表处在室温中，因此它们的连接线处在温差很大的环境里，并且沿导线的温度分布还会随着低温液体液面的降低、低温容器的移动等变化而变化。所以在涉及直流低电压测量的实验中，判定和消除乱真电势的影响是实验中一个十分重要的步骤。
实 验 报 告
姓 名：张伟楠班 级：F*******学 号：*******108实验成绩：
同组姓名：周元剑实验日期：2008.10.13指导老师：助教17批阅日期：
高温超导材料特性测量
实验目的
1了解高。临界温度超导材料的基本电特性和测量方法。
2了解低温下半导体 结的伏安特性与温度的关系。
3了解低温实验的测量方法。
A1.198940.00313
B-0.002351.71294E-5
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高温超导实验报告
122.1 118.6 115.5 112.9 110.5 108.5 106.8 105.4 104.1 103.1 102.1 101.4 100.0 96.7 96.2 96.0 95.7 95.5 95.3 94.9 94.6 93.8 92.6 92.4 92.1 91.8 91.6 91.3 77.4
⑴铂电阻温度计： 铂电阻温度关系如下图所示
1
R(T)=AT+B 在液氮沸点到正常室温温度范围内， 其电阻与温度近似成正比： 或 T(R)=aR+b，其中 a，b 都是常数。 ⑵半导体硅电阻温度计： 在较大的温度范围内，半导体具有负的电阻温度系数，这一特性正好弥补 了金属电阻温度计在低温下灵敏度明显降低的缺点。低温物理实验中，常用半 导体温度计。 在小电流下，近似有： U 正向 KT U g 0 。其中 K=-2.3mV/K;硅材料 U g 0 约为 1.20eV ⑶温差电偶温度计： 如果将两种金属材料制成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同 的温度，则在该闭合回路中就会有温差电动势存在，如果将回路的一个接触点 固定在一个已知的温度，例如液氮的正常沸点 77.4 K，则可以由所测量得到的 温差电动势确定回路的另一接触点的温度，从而构成了温差电偶温度计。这种 温度计十分简便，特别是作为温度敏感部分的接触点体积很小，常用来测量小 样品的温度以及样品各部分之间的温差。 应该注意到，硅二极管 PN 结的正向电压 U 和温差电动势 E 随温度 T 的变化 都不是线性的，因此在用内插方法计算中间温度时，必须采用相应温度范围内 的灵敏度值。
〖实验二十三〗
高温超导材料特性测试和低温温度计
〖目的要求〗
1、了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法； 2、了解金属和半导体 P-N 结的伏安特性随温度的变化以及温差电效应； 3、 学习几种低温温度计的比对和使用方法， 以及低温温度控制的简便方法。
高温超导实验报告
高温超导材料的特性与表征实验报告10物理小彬连摘要本实验对高温超导体的超导转变曲线进行了测量，测量得到其起始转变温度，临界温度，零电阻温度；进行了低温温度计的标定，证明了硅二极管温度计和温差电动势在一定范围内随温度变化的线性关系；通过高温超导的磁悬浮演示了解高温超导体的两个独有的特性：混合态效应和完全抗磁性，并测量得出磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。
关键词高温超导体超到临界参数零电阻现象完全抗磁性磁悬浮力一、引言1911年，荷兰物理学家卡末林－昂纳斯（H.K.Onnes，1853—1926）用液氦冷却水银线并通以几毫安的电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。
自从低温超导体发现以来，科学家们对超导电性现象（微观机制）和超导技术以及超导材料进行了大量的研究。
在超导技术开发时代，世界各国科学家相机取得了突破性进展，研制出临界温度高于液氮温度的氧化物超导体，又称为高温超导体。
超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在个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，还可以用于计量标准。
本实验目的：通过在低温条件下测量高温超导体的电阻温度曲线和低温温度计的比对，了解高临界温度超导材料的基本特性及测试方法，了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电效应，掌握低温物理实验的基本方法：低温的获得、控制和测量。
二、实验原理1．超导现象及临界参数1）零电阻现象(如下图）超导现象：电阻突然跌落为零，或称零电阻现象，并将具有此种超导电是的物体称作超导体（只有直流电情况下才有零电阻现象）Tc（超导临界温度）：即当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值是超导体呈现超导态的最高温度。
Tc，onest（起始转变温度）：降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度。
高温超导实验报告
高温超导实验报告【摘要】采用杜瓦容器和低温恒温器获得从液氮沸点到室温的任意温度，在此条件下，测量高温超导材料电阻的起始转变温度为101.4K、临界温度约为96.50K、零电阻温度为92.39K。
进行温度计的比对，发现硅二极管电压、温差电偶均与温度成接近线性的关系。
观察了高温超导磁悬浮现象，并定量对高温超导体的磁悬浮力与距离的关系曲线进行了扫描，进一步了解场冷和零场冷。
【关键词】液氮、高温超导、铂电阻、硅二极管、温差电偶一、引言1911年昂纳斯首次在4.2K水银的电阻突然消失的超导电现象。
1933年迈斯纳发现超导体内部的磁场是保持不变的，而且实际上为零，这个现象叫做迈纳斯效应。
1957年巴丁、库柏和施里弗共同提出来超导电性的微观理论：当成对的电子有相同的总动量时，超导体处于最低能态。
电子对的相同动量是由电子之间的集体相互作用引起的，它在一定条件下导致超流动性。
电子对的集体行为意味着宏观量子态的存在。
这一超导的微观理论成为BCS理论，1972年他们三个人共同获得了诺贝尔物理学奖。
T超导电性》，后1986年4月，柏诺兹和缪勒投寄文章《Ba-La-Cu-O系统中可能的高c来日本东京大学几位学者和他们二人先后证实此化合物的完全抗磁性。
虽然后来又发现了125K的铊系超导体和150K的汞系氧化物，但是YBCO仍是目前最流行的高温超导材料。
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等。
二、原理2.1MEISSNER效应1933年，MEISSNER和OCHSENFELD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。
2.2临界磁场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。
物理实验报告_高温超导材料的特性
高温超导材料特性测试和低温温度计自1911年荷兰物理学家翁纳斯发现超导现象以后，人们一直在为提高超导临界温度而努力，直到1986年，才有了极大的进展，现在，临界温度已提高到130K 左右。
目前，块状超导体、高温超导导线、大面积超导薄膜等超导材料在磁悬浮输运、强电、弱电等工程领域上的应用已完成了前期实验阶段，现已投入工程开发中。
专家预测，二十年内超导技术将在通讯、交通、军事、电力等领域得到应用。
历史上已有八位科学家因为超导研究方面的成就而荣获诺贝尔物理学奖，可见超导研究的重要性，它是物理学的前沿课题。
本实验的内容是低温的获得和控制、各类温度传感器和液面计的特性应用、电阻的四引线测量法、乱真电动势的判定等。
【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. 了解铂电阻和半导体pn 结的正向电压及温差电偶的电动势随温度的变化情况。
3. 学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法。
【原理】通常把物体在一定温度下电阻突然跌落到零的现象，称为零电阻现象或超导现象，而把电阻突然变为零的温度称为临界温度，用T C 表示。
利用本实验装置，可用逐点测量的方法得到高温超导体的电阻转变曲线，并可用标准的方法判断零电阻现象是否实现。
除了零电阻现象之外，超导体还具有另一个基本的特征——迈斯纳效应（完全抗磁性），即不论在有或没有外加磁场的情况下，使样品从正常态转变为超导态，只要T <T C ，在超导体内部的磁感应强度总是等于零的。
1. 高临界温度超导特性当超导体温度降到某一温度（T ）时，其电阻为零。
本实验中，所用的YBaCuO 样品的零电阻温度大约为90K 左右。
2. 电测量设备及测量原理本实验测量设备主要由铂电阻、硅二极管和超导样品三个电阻测量电路构成，每一电路均包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关等五个主要部件。
实验中测量样品电压等采用四引线测量法，其基本原理是：恒流源通过两根电流引线将待测电流I 提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线测量样品上电压U 。
高温超导材料特性测试实验报告
高温超导材料特性测试物理学系0 安宇森【摘要】本次实验，我们利用液氮冷却测量了铜-康温差电偶的超导特性曲线。
通过对Pt电阻温度计的特性曲线的测量，确定超导临界温度。
最后，我们对磁悬浮现象以及抗磁性实验进行了观测。
【关键词】超导临界温度迈斯纳效应【Abstract】In this experiment, we use the liquid nitrogen to cool down the temperature and then we observe the superconductivity of the materials. Through the measurement of the pt thermometers, we find the critical temperature of the superconductor. At last , we observe the resistance of the magnet in the superconductor.【key words】superconductivity critical temperature Misner effect【引言】超导是指某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。
1911年荷兰物理学家H·卡茂林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K 附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。
以后又发现许多其他金属也具有超导电性。
低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。
1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。
对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
高温超导实验报告
高温超导材料的特性与表征姓名：孙淦学号：201411142030指导教师：张金星实验日期：2016年11月24日摘要本实验通过借助已定标的铂电阻温度计测量并标定硅二极管正向电阻、温差热电偶电动势及超导样品的温度计。
比较几种不同的温度计得到各自的电阻温度变化关系，同时由超导转变曲线发现超导样品温度计在高温超导区域更明显的变化，并得到了高温超导转变温度的相关参数。
演示了高温超导磁悬浮实验，并完成了零场冷和场冷条件下高温超导体的压力位移曲线测定。
关键词：高温超导、铂电阻温度计、磁悬浮、场冷、零场冷。
1引言1911年，昂纳斯首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象。
1933年，迈斯纳发现超导体内部磁场为零的迈斯纳效应。
完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本特性。
1957年，巴丁、库柏和施里弗根据电子配对作用共同提出了超导电性的微观理论——BCS理论。
1986年，柏诺兹和缪勒发现Ba-La-Cu-O化合物具有高T c的超导特性，之后高T c超导体的研究出现了突破性进展。
超导体应用十分广泛，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，还可以用于计量标准。
本实验中通过对高温超导材料特性的测量和表征，探究金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应，了解磁悬浮的原理，掌握低温实验的基本方法。
2实验原理2.1超导现象、临界参数及实用超导体2.1.1零电阻现象零电阻：温度降低，电阻变为0，称为超导电现象或零电阻现象。
只发生在直流情况下，不会发生在交流情况。
超导临界温度：当电流、磁场以及其他外部条件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最高温度。
起始转变温度T c,onset：降温过程中电阻温度曲线开始转变的温度。
超导转变的中点温度T cm：待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度。
完全转变温度（零电阻温度）T c0：电阻刚刚完全降到零时的温度。
1图1:超导体的电阻转变曲线图2:第一类超导体临界磁场随温度变化转变宽度∆T c：电阻变化从10%变到90%对应的温度间隔。
高温超导材料的特性与表征
四、实验内容及记录：
1、低温温度计的比对、测量高温超导体的超导转变曲线 将测量装置按说明正确连接后打开， 首先测量室温下的实验数据。 然后将液氮灌注进不 锈钢杜瓦容器，把引线拉杆拉至最上方，用拉杆固定螺母固定，用米尺测量液氮液面来保证 紫铜恒温块与液氮液面相距一段距离， 然后将低温恒温器置于杜瓦容器内。 利用液氮蒸气来 对超导样品进行冷却，然后开始测量。记录铂电压、硅二极管电压、温差电偶电压和样品电 压四个数据。为了消除电路的乱真电动势的影响，在样品电压降到零时，启动电源盒样品电 路面板上的电源反向开关，若电压示数仍为零则说明超导体确实已降到零电阻。 同时低温恒温器中专门安装了液面指示计， 在每读一组数后需检验一次指示计示数， 若 不为零则要松开拉杆固定螺母后适当下放引线拉杆（每次 1~2mm）然后旋紧拉杆固定螺母， 确保了液面始终处于合适位置，保持超导样品处于合适的降温速率。
记录数据后可做出超导转变曲线如下：
图 2 超导转变曲线
分析：随着温度的不断下降，超导材料的电阻也缓慢下降，转变温度约为 100K，温度 高于转变温度时，呈现较好的线性关系，温度低于转变温度时，超导材料的电阻随温度下降 而急剧减小， 降到临界温度时电阻减小为一半， 低于临界温度后超导材料电阻基本保持接近 极零的状态不变，转变宽度较窄，所以该样品是良好的超导体。 2、超导磁悬浮力的测量 通过改变高温超导盘片和礠块间的距离， 测量磁悬浮力的变化， 分别获得零场冷和场冷 条件下磁悬浮力与超导体-磁体间距及磁悬浮力与时间的关系曲线如下：
（2）超导体的分类：实验发现超导体的临界磁场随温度改变的规律分为两类，我们由
此将超导体分为两类。对于第一类超导体来说，临界磁场随温度下降而增加，由实验拟合给 出与的关系很好地遵循抛物线近似关系。 对于第二类超导体来说， 在超导态和正常态之间存 在过渡的中间态，因此第二类超导体存在两个临界磁场和。 4、非理想的第二类超导体及钉扎效应 基于第二类超导体的某些性质（如磁化行为、临界电流等）对于诸如位错、脱溶相等各 种晶体缺陷十分敏感。只有体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为才完全可 逆，称为理想第二类超导体。反之，则称为非理想第二类超导体或硬超导体。理想第二类超
高温超导材料特性测试和低温温度计研究报告
高温超导材料特性测试和低温温度计研究报告作者：39041130高君宇同组者：39041121刘水明39041126杜禧39041127王成摘要：本实验通过测量并绘制电阻（或电压）——温度关系曲线直观描述高临界温度超导体的温度转变过程；掌握作图法确定超导体临界转变温度以及低温温度计的比对分析。
关键字：液氮、样品电阻（钇钡铜氧化物）、超导转变温度T cm，硅电阻正向电压、铂电阻1、引言超导转变温度的提高一直倍受科学界瞩目，到1993年3月，转变温度已从刚发现超导现象的液氦温区（4.2K）提高到了液氮温区（134K）；超导材料和技术诸如超导输电、超导发动机、超导发电机、超导磁体、超导磁悬浮以及利用超导效应研制高灵敏度的电磁仪器；通过本实验不仅可以初步掌握超导转变温度的测量，还可以了解液氮和低温温度计的相关基本知识。
2、实验原理（1）超导体和超导电性超导体只有在外加磁场小于某个量值（临界磁场）时才能保持超导电性；类即通过超导体的电流超过该值时，超导电性遭到破坏。
常用临界温度T C、临界磁场B C和临界电流密度j C作为临界参量来表征超导材料的超导性能。
实验表明，不论有没有外加磁场，使样品从正常态转变为超导态只要T<T C，超导体内部的磁感应强度B i总是等于零，这个称作迈斯纳效应，表明超导体具有完全抗磁性。
根据迈斯纳效应或电阻率变化的特性都可以确定超导体的临界温度。
本实验采用电阻法。
为了更好的描述高温超导体的特性，常引进起始转变温度T c,onset、零电阻温度T c0和超导转变（中点）温度T cm三个物理量。
实验使用的超导体为钇钡铜氧化物高温超导样品，转变温度落在液氮温区。
（2）低温温度计A> 金属电阻随温度变化绝对零度下的纯金属中，理想的完全规则排列的原子（晶格）周期场中的电子处于确定的状态，因此电阻为零。
温度升高时，敬个原子的热震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R i。
高温超导实验
几种常用的温度计
温度计 测温属性 定容气体温度计 压强 定压气体温度计 体积 铂电阻\半导体温度计 电阻 热电偶温度计 热电动势 液体温度计 液柱长度
液体温度计测温范围
液体 水银 酒精 甲苯 乙醇 煤油 石油醚
温度测量范围 -30~+300 -80 ~80 -80~+110 -80~+80 0~+300 -120+20
作业:
1.金属低温超导理论中,最基本的出发点是什么? 试用BCS理论及二流体模型解释超导电性. 2.超导磁悬浮是什么效应的直接结果?试描述上 海磁悬浮列车工作原理. 3.超导样品的国际与国内研制近况如何？
超导应用:
一.强电磁方面的应用 (1)磁悬浮列车(2)磁流体发电(3)超导磁分离技术 二.弱电磁方面的应用 (1)超导磁梯度计对人脑功能的研究(2)超导计算 机(3)超导重力仪
构造：1.感温泡.2.压力传 感器.3.连结毛细管(抽真 空:10-1帕,充氦气) 测量原理:PVm=RT
T p (VT0 ) V ' ( 1 1
0T PT 0 P a 0 )T (P P
T
0 P (1 a ) P a T0 P
T0 T T0 T0 0 0 n R 常数 PV ' PV PV ' PV
热电偶温度计
汤姆孙效应：同一种金属，两端有温度差，电子 云在温度不均匀时的热扩散形成电动势。外加电 流，可有吸热与放热 珀耳帖效应：两种不同金属接触面处，由不同金 属的自由电子的数密度不同形成电动势。 塞贝克效应：由两种不同金属连接，两接点在不 同温度下，形成热电偶电动势。
北师大物理实验报告-高温超导
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1、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。
2、实验原理.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。
7-4 高温超导特性测量
7-4 高温超导材料特性测试和低温温度计引言1908年，荷兰莱顿大学的卡末林-昂纳斯（H. Kamerlingh Onnes ）等人成功的使氦气液化，达到了4.2K 的低温，三年后，他们发现汞电阻在温度达到4.15K 时，陡降为零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。
通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体，这一发现标志人类对超导研究的开始，1913年昂纳斯也因此发现获得了诺贝尔物理学奖。
1933年，荷兰的迈斯纳（Meissner ）和奥克森费尔德（Ochsenfeld ）共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，具有完全抗磁性，超导体内的磁感应强度为零，人们将这种现象称之为 “迈斯纳效应”。
自从超导现象被发现以来，科学家们在超导物理及材料方面进行了大量的研究工作，为提高超导的临界温度而努力。
然而在数十年中进展缓慢，常规超导体临界温度只能提高到23.22K 。
1986年高温超导研究取得了突破性的进展，瑞士物理学家缪勒（Mueller ）和德国物理学家贝德罗兹（Bednorz ）发现了高温钡镧铜（La-Ba-Cu-O ）系氧化物超导体，超导临界温度达到40K 。
这个发现意义重大，他们因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
目前，已发现具有超导性的材料数以千计，超导临界温度也在持续提高，1993年高温超导临界温度已达到136K ，实现了在液氮温区超导的重大突破，人们将临界温度在液氮温度（77Ｋ）以上的超导体称为高温超导体。
随着高温超导研究的进展，超导电性的应用十分广泛： 例如发电、输电和储能；超导重力仪、超导计算机、超导微波器件、超导磁悬浮列车和超导热核聚变反应堆等。
测量超导体的基本性能是超导研究工作的重要环节，因此高温超导材料特性测量是超导研究工作者的必备手段。
实验预习1． 学习超导体的基本性质及超导材料的临界参数；2．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。
高温超导材料特性测试和低温温度计实验
1.电路的连接
五．实验内容
按面板上虚线连接导线，并将PZ158型直流数字电压表与 面板上的“外接PZ158”相连。
2.室温检测
打开外接电压表的电源开关（量程选200 mV）及电源盒的 总开关，并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品的分电 源开关，调节温度计的工作电流，测量并记录其室温电流 （电压示值分别为100.00 mV、1.0000 mV）和电压值。
直流数字电压表 (100V)
100 标准电阻
P t电流
转换开关 P t电压
铂电阻温度计( Pt )
10k
SiD电流
转换开关 SiD电压
标准电阻
硅二极管温度计( Si D )
直流稳压电源 (0-5V) V
25加热器
恒流源 + - (-100mA)
直流数字电压表 P Z158(1V)
温差电偶
转换开关 样品电压
谢谢
4. 超导转变曲线的测量
温度接近130 K（V Pt=42.5 mV ）时，每隔2.5 mV 记录 一组至V Pt= 30 mV。此后因转变过程很快，故应尽快记 录V Pt和V样品，不再记录V硅二极管和E 温差电偶。当V样品小于
0.005 mV时，利用电流反向开关排除乱真电动势的干扰。
最后，画出其电阻-温度曲线并确定Tc,onset、Tcm和Tc0 。
1987年3月——中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬 浮实验。
1988年10月——中国科技大学超导中心将Tc提高到130 K 和164 K。
1989年2月——中国科技大学再现130 K的零电阻温度。
1991年3月——日本住友电气工业公司展示了世界上第一 个超导磁体。
高温超导材料特性测试和低温温度计
物理实验研究性报告高温超导材料特性测试和低温温度计度Tc指Tcm 。
2 .低温温度计.(1) 金属电阻随温度的变化.作为低温物理实验基本工具的各种电阻温度计, 研究基础上的。
不同类型材料电阻随温度变化性质不同。
合金中，电阻主要由杂质散射引起，因此电子平均自由程对温度变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验用标准电阻和电加热器就是用锰铜线绕制而成。
纯金属中，总电阻可近似表达成：R = Ri (T ) +Rr ,其中，Ri为电子运动受到晶格散射出现的电阻，Rr为几乎完全由杂质散射造成的剩余电阻，它近似与温度无关。
半导体则具有与金属完全不同的电阻温度关系，在大部分温区中具有负的电阻温度系数。
在液氮正常沸点到室温范围内，铂电阻温是建立在对各种类型材料的电阻-温度关系高温超导材料特性测试和低温温度计一.实验摘要：M氐温恒温器获得从液氮沸点到室温的任意温度，在此条件下，测量高温超导材料电阻，确定其起始转变温度和零电阻温度，并观察记录铂电阻温度计、硅二极管温度计及铜-康铜温差电偶温度计测温参量的变化，进行温度计的比对。
超导体在超导状态具有零电阻现象和完全抗磁性，具有辉煌的应用前景。
一般达到超导状态需要很低的温度，最低为4.15K，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。
本实验在液氮沸点到室温范围内测量超导材料电阻特性，相对而言为高温超导，并对各种温度计进行比对，为在不同温区选择合适温度计提供依据。
二.实验原理1.超导体和超导电性.1911年，卡麦林？翁纳斯用液氦冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。
通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体。
引进起始转变温度Tc, on set、零电阻温度Tc0和超导转变(中点)温度Tcm来描写高温超导体的特性，如图1所示。
高温超导材料的特性测试和低温温度计实验报告
实验二十三：高温超导材料的特性测试和低温温度计 2016.12.29一、实验数据记录1.室温检测：表1.室温检测数据表2.低温温度计对比数据及超导转变曲线数据：见下表3.液氮沸点监测数据：表2：液氮沸点监测数据二、实验数据分析、处理和结论1.处理室温检测数据，给出三部分测量电路的电流、室温、室温下的超导样品的电阻：（1）电流：铂电阻：109.03mASi半导体电阻：100.00μA样品电流：10.0165mA（2）室温：T=2.4516*109.03+25.736=293.03K(3) 室温下，样品的电阻：R=0.162/10.0165=0.0162Ω2.处理低温温度计对比数据，作图给出对比结果，总结三种温度计的特点：图1：Si电压-温度曲线Y=-0.0026x+1.2798 R2= 0.9994图2：温差电偶电压-温度曲线线性拟合：Y=0.0279x-2.6711 R2=0.990非线性拟合：Y=0.000057x2+0.0061x-0.75127 R2=0.9998结论：由图1：Si半导体电压随着温度呈线性相关，且是负相关。
由图2：温差电偶与温度成正相关，在拟合过程中发现，二次拟合要比一次的拟合精确的多。
因此温差电偶电压应该与温度成二次关系。
比较两图一直，Si半导体的温敏线性较好，成的是线性关系，温差电偶电压与温度成二次关系，铂电阻R与T成线性关系。
3.作图并用最小二乘法处理超导样品测量数据，给出转变温度。
图3：样品电阻-温度曲线图4：样品电阻-温度电压（最小二乘法）Y=0.000048x+0.00109 R-Square=0.9994结论：由图3、4可知：随着温度下降，R首先以直线下降，在到达一定的温度时，斜率发生突变的点为转变温度。
对于高温时的数据进行线性拟合，其近似一条直线。
通过对于突变处的观察，突变温度约为103K。
4.处理液氮沸点检测数据，给出液氮沸点，液氮温度下超导样品的电阻、三部分测量电路的电流，与温室数据对比，评测系统的精确度和稳定性。
高温超导材料特性测试和低温温度计
物理实验研究性报告高温超导材料特性测试和低温温度计高温超导材料特性测试和低温温度计一.实验摘要：采用杜瓦容器和低温恒温器获得从液氮沸点到室温的任意温度，在此条件下，测量高温超导材料电阻，确定其起始转变温度和零电阻温度，并观察记录铂电阻温度计、硅二极管温度计及铜-康铜温差电偶温度计测温参量的变化，进行温度计的比对。
超导体在超导状态具有零电阻现象和完全抗磁性，具有辉煌的应用前景。
一般达到超导状态需要很低的温度，最低为4.15K，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。
本实验在液氮沸点到室温范围内测量超导材料电阻特性，相对而言为高温超导，并对各种温度计进行比对，为在不同温区选择合适温度计提供依据。
二.实验原理1．超导体和超导电性.1911 年，卡麦林⋅翁纳斯用液氦冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。
通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体。
引进起始转变温度T c,onset 、零电阻温度T c0和超导转变(中点)温度T cm来描写高温超导体的特性，如图1 所示。
通常说的超导转变温度T c 指T cm。
2．低温温度计.(1)金属电阻随温度的变化.作为低温物理实验基本工具的各种电阻温度计，是建立在对各种类型材料的电阻−温度关系研究基础上的。
不同类型材料电阻随温度变化性质不同。
合金中，电阻主要由杂质散射引起，因此电子平均自由程对温度变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验用标准电阻和电加热器就是用锰铜线绕制而成。
纯金属中，总电阻可近似表达成：R = R i (T ) +R r ，其中，R i为电子运动受到晶格散射出现的电阻，R r为几乎完全由杂质散射造成的剩余电阻，它近似与温度无关。
半导体则具有与金属完全不同的电阻温度关系，在大部分温区中具有负的电阻温度系数。
高温超导材料特性测试和低温温度计
物理实验研究性报告高温超导材料特性测试和低温温度计高温超导材料特性测试和低温温度计一.实验摘要：采用杜瓦容器和低温恒温器获得从液氮沸点到室温的任意温度，在此条件下，测量高温超导材料电阻，确定其起始转变温度和零电阻温度，并观察记录铂电阻温度计、硅二极管温度计及铜-康铜温差电偶温度计测温参量的变化，进行温度计的比对。
超导体在超导状态具有零电阻现象和完全抗磁性，具有辉煌的应用前景。
一般达到超导状态需要很低的温度，最低为4.15K，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。
本实验在液氮沸点到室温范围内测量超导材料电阻特性，相对而言为高温超导，并对各种温度计进行比对，为在不同温区选择合适温度计提供依据。
二.实验原理1．超导体和超导电性.1911 年，卡麦林⋅翁纳斯用液氦冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。
通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体。
引进起始转变温度T c,onset 、零电阻温度T c0和超导转变(中点)温度T cm来描写高温超导体的特性，如图1 所示。
通常说的超导转变温度T c 指T cm。
2．低温温度计.(1)金属电阻随温度的变化.作为低温物理实验基本工具的各种电阻温度计，是建立在对各种类型材料的电阻−温度关系研究基础上的。
不同类型材料电阻随温度变化性质不同。
合金中，电阻主要由杂质散射引起，因此电子平均自由程对温度变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验用标准电阻和电加热器就是用锰铜线绕制而成。
纯金属中，总电阻可近似表达成：R = R i (T ) +R r ，其中，R i为电子运动受到晶格散射出现的电阻，R r为几乎完全由杂质散射造成的剩余电阻，它近似与温度无关。
半导体则具有与金属完全不同的电阻温度关系，在大部分温区中具有负的电阻温度系数。
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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<Tc，超导体
内部的磁感应强度Bi总是等于零。
该效应表明超导体具有完全抗磁性。
（3）根据电阻率的变化和迈斯纳效应都可以用来确定超导体的临界温度。
本实验采用电阻法。
引进起始转变温度Tc，onset，零电阻温度Tc0和超导转变
（中点）温度Tcm三个物理量，通常所说的超导转变温度Tc是指Tcm。
实验使用的超导体为钇钡铜氧化物高温超导体的超导样品转变温度落在液
氮区。
2.低温温度计
（1）金属电阻随温度的变化
当金属纯度很高时，总电阻可以近似表达成R=Ri(T)+Rr
在液氮温度以上Rr(T)>>Rr,R≈Ri(T)
在液氮正常沸点到室温这一范围内，铂电阻温度计具有良好的线性电阻—
温度关系。
可表示为R(T)=AT+B。
因此可以根据给出的铂电阻温度计在液氮
正常沸点和冰点的电阻值，可确定所用的铂电阻温度计的A、B值，并由此
对铂电阻温度计定标，得到不同电阻值所对应的温度值。
（2）温差电偶温度计
当两种金属所做成的导线连成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度
下时，改闭合回路中就会有温度差电动势催在，如果将回路的一个接触点
固定在一个已知的温度下，则可以由所测得的温差电动势确定回路的另一
个接触点的温度。
三、仪器用具
1．低温恒温器
2. 不锈钢杜瓦容器和支架
3. PZ158型直流数字电压表
4. BW2型高温超导材料特性测试装置（电源盒）
四、数据处理
(1)原始数据处理
(2)样品电阻-温度曲线
由图中可以读出Tc≈92K
(3)Si电压-温度曲线
说明在此范围内Si电阻与温度成线性关系，图像的左半段缺失，误差分析见下(4)温差电偶-温度曲线
此图右半段误差较大，误差分析见下。
五、误差及失败原因分析
实验说明：
本次实验使用的7号实验台，在实验开始的初期，样品电压并没有像预想的随着温度的降低而逐渐减小，相反的，随着实验的进行，样品电压从最初的0.3左右逐渐飙升至0.5，使我们不得不怀疑是否是低温恒温器没有达到合适位置。
但是在一次将低温恒温器下放的过程中，液氮突然沸腾，同时铂电阻的电压迅速由40多降至20mV，样品电压由0.5迅速降为0.001mV，整个过程在十几秒内发生，实验宣告失败。
第二次尽管我们小心翼翼，但结果如出一辙。
在实验时间所剩不多的情况下，第三次只得冒险从一开始就保持恒温器插入一个较深的位置，所以示数变化很快，这就造成了：
1.在读一组数据的过程中，由于各个数据之间存在时间差，同一组读数中各个数据
并不实际对应。
2.由于到接近临界温度时变化速度更加加剧，没有时间读取Si电压和温差电偶电动
势，造成这两个物理量对温度作图的图像后半段的丢失。
3.快速切换PZ158数字电表的档位，从而有可能使示数器来不及反应，得到错误的
数据（“温差电偶电动势-温度”的图像中几个跳跃点很可能就是属于这种情况）
这次实验总体来说不是很成功，虽然最后得到了较符合实际的数据，但是整个过程并没有严格按照预想的过程进行，总结下来原因如下:
1.开始的时候过于保守，恒温器插入过于缓慢，迟迟未能达到液面计为零的要求；
2.后期过于冒进，插入过深，以致读数变化过快；
3.不排除实验仪器的问题。
因为在前两次失败的过程我们发现：Pt电阻的示数是一直稳定降低，这说明恒
温器是在不断降温的过程。
正常情况下，样品电压也应该下降，但是却反常的
稳定上升。
已经排除了外部接线错误的可能，而且在温度迅速剧烈降低（即将
恒温器没入液氮中）的情况下，样品电压也能够很快达到超导的水平。
我们最
先想到的是由于开始时插入的深度不够，以至于样品上电阻的发热抵消掉了冷
却的效果。
但是在在第二次失败后（此时pt电压在40mV左右，样品电压由
0.3mV左右已升至0.5mV），拿出恒温器并对其加热的过程中发现，随着温度的
升高，样品电压又几乎是沿升压过程一样，其样品电压缓缓降至0.3mV。
这也
就否定了是样品电阻产热造成电阻升高的想法。
所以无法排除实验仪器存在瑕
疵。
针对本实验，我觉的还有如下可以改进的地方：
1.由于“液面计为零”这一条件对实验的结果有重大影响，而使用液面计存在
如果实验较长时间之后，可能使液面上方也达到液氮温度，从而产生误判这
样的弊端。
所以适当减小恒温器的体积（玻璃杜瓦瓶直径一般不超过35mm），
这样就能用玻璃杜瓦瓶代替不锈钢杜瓦瓶，更便于观察。
2.改进直流数字电压表，用带有存贮功能的电压表代替。
这样即使在临界阶段
也能准确记录各个电阻的电压值，不存在同组数据间的延迟问题，也可以大
大缩短实验的时间。
六、实验思考题
1.零电阻常规导体遵从欧姆定律，它的磁性有什么特点？超导体的磁性又有什么特点？
它是否是独立于零电阻性质的超导体的基本特性？
答：零电阻的磁性特点是外磁场可以穿过零电阻常规导体，而超导体具有完全抗磁
性，只要温度低于临界温度，不论有无外加磁场，超导体都能从正常态转变为超导
态，且超导体内部的磁感应强度为零。
因此，超导体的完全抗磁性是独立于零电阻
性质的超导体的基本特性
2.在“四引线测量法”中，电流引线和电压引线能否互换？
答：不能。
如果互换，则两根电流引线与样品的接触点将处于电压引线的接触点之
间，所测得的电压出了待测电阻上的压降之外，还包括电流引线与样品见的接触电
阻上的电压降，使测量结果偏大。
3.确定超导样品的零电阻时，测量电流为何必须反向？
答：在样品电阻接近于0时，由于乱真电动势的干扰，测量结果不能表示出样品
电阻已变为0，又因为乱真电动势的大小和方向几乎不变，因此利用电流反向，当
两次的测量结果相同时，可以认为超导体达到了零电阻状态。
4.如何利用本实验装置获得接近室温的（如250K）的中间温度？
答：调好各种室温数据之后开始降温，通过估算，预先确定中间温度对应的Pt电
阻的电压值。
待恒温器降至预设的数据是，打开加热器，调节加热器的稳压电源，
使Pt电压始终保持在预先估算的电压值左右，得到的温度即为室温的中间温度。