《基础物理实验课件》高温超导材料特性测试和低温温度计共22页

直流数字电压表 (1 0 0V)
1 0 0
P t电流
转换开关 P t电压
1 0 k
SiD电流
转换开关 SiD电压
标准电阻
铂电阻温度计( Pt) 标准电阻
硅二极管温度计( SiD)
直流稳压电源 (0 -5 V) V
2 5 加热器
恒流源 + - (-100mA)
直流数字电压表 P Z158(1V)
温差电偶
1. 仪器用具
四．实验仪器和装置
低温恒温器、不锈钢杜瓦容器和支架、PZ158型直流数字 电压表、BW2型高温超导材料特性测试装置（即电源盒）
以及一根两头带有19芯插头的连接电缆和若干根两头带 有香蕉插头的连接导线。
低温恒温器和杜瓦容器的结构见图5。
2．实验装置和电测量线路
本实验的测量线路见图6。主要 由铂电阻、硅二极管和超导样 品等测量电路构成。
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
T/K
图2 铂的电阻－ 温度关系
(2) 半导体电阻以及pn结的正向电压随温度的变化
见图3和图4。
压
向V 电
IV
III II
I
2
l nR
正
砷化镓
1
硅
lnT
图3 半导体的电阻－温度关系
0
100 200 300 400
T /K
图4 二极管的正向电压－温度关系
一. 实验及应用背景介绍
1. 背景介绍
超导电现象——在足够低的温度下，某些物质的电阻 突然变为零的现象。
Kamerlingh
超导电现象是荷兰莱顿大学的物理学 家卡麦林·昂内斯（Heike
Onnes,1853—1926）和他的同事们于 1911年在液氦环境中（≈4.2 K）测 量水银的电阻时发现的。为了表彰他 的这项发现以及他对低温下物质的研 究，他被授予1913年诺贝尔物理学奖。
常引进Tc,onset、Tc0和Tcm三个物理量，一般超导转变温度Tc 是指Tcm。超导体的电阻－温度转变曲线见图1。
2.迈斯纳效应
无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<Tc，超 导体内部的磁感应强度Bi总
为零，这就是迈斯纳效应。
R R n(T)
T c ,onse t
引线插座 引线拉杆 拉杆固定螺母 拉杆固定螺栓 有机玻璃盖
不锈钢杜瓦容器 上挡板 紫铜圆筒上盖 锰铜加热器线圈 紫铜圆筒 紫铜恒温块 超导样品 可调式定点液面计 下挡板 温差电偶和液面计
(参 考 点 ) 液氮
图5 低温恒温器和杜瓦容器 的结构
恒流源 + - (1mA)
直流数字电压表 (1 0V)
恒流源 + - (100A)
抗磁性应用——超导磁体、超导磁悬浮、热核聚变反应 堆等。
二．实验目的和教学要求
1．了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。 2．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．了解液氮的使用和低温温度控制的一些简单方法。
三．实验原理
1. 高临界温度超导电性
Tc————临界温度 Bc————临界磁场 jc————临界电流密度
T cm
－12 Rn ( T )
T c0
T
图1 超导体的电阻－ 温度转变曲线
3．低温温度计 (1) 金属电阻随温度的变化
当金属纯度很高时，总电阻可近似写成
R = R i (T)+R r
R i (T)——由电子的运动受到晶格散射而出现的电阻； R r ——由杂质散射造成的。 在液氮温度以上，Ri (T)>>Rr，故有R≈Ri (T)。
超导电性——某些物质在低温条件下具有电阻为零和排斥 磁力线的性质。至今已发现有28种元素、几 千种合金和化合物具有超导电性。
超 导 体——具有超导电性的物质称为超导体。超导体 同时具有零电阻和完全抗磁性这两个独特 的性质。对于超导体，存在一个超导转变 温度（又称为临界温度）Tc 。
高温超导——在较高温度下具有超导电性的某些物质叫高 温超导。（这里所指的较高温度是与1986年 前的临界温度23.2 K相比的）。
2. 高温超导的发展历史
1986年1月——日本东京大学工学部将Tc提高到37 K。 1986年12月——中科院物理所赵忠贤等人将Tc提高到
48.6 K。 1987年1月——日本川崎国立分子研究所将Tc提高到43 K；
不久日本综合电子研究所将Tc提高到46 K 和53 K。 1987年2月——美国休斯顿大学的朱经武将Tc提高到90 K。
由图3可知，在大部分温区中，半导体具有负的电阻温度 系数。
在恒定电流下，硅和砷化镓二极管pn结的正向电压随着温 度的降低而升高，见图4。
(3) 温差电偶温度计
当两种金属导线联成回路，并使两个接触点维持在不同 的温度时，该回路中就存在温差电动势。若将其中一个 接触点固定在一个已知的温度，如液氮的沸点77.4 K， 则可由测得的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。
转换开关 样品电压
10
样品电流
标准电阻
超导样品
图6 实验电路图
① 四引线测量法 电阻测量的原理性电路见图7。
恒流源
Hale Waihona Puke Baidu
VI-
Un
V+ I+
标准电阻Rn
I- V-
Ux
V+ I+
样品Rn
图7 四引线法测量电阻
→ I =Un /Rn
Rx=Ux /I =UxRn /Un
② 铂电阻和硅二极管测量电路 两个电路中电流都是单一的恒流源：1 mA和100 A。实 际测量中，通过微调可分别在100 和10 k的标准电 阻上得到100.00 mV和1.0000 V。
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。
┇ 2000年12月——世界上首辆高温超导磁悬浮实验车在西南
在液氮正常沸点到室温范围内，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 或 T(R)= aR+b
其中A、B和a、b是常量（已
知）。铂的电阻－温度关系 见图2。
R /
d d
R T
×1
0
-4/ /K )
10
D/3
dR
50
dT
40
5
R
30
20
铂 R (0℃ )=50 10
交大研制成功。
2019年3月——我国清华大学研制的超导滤波器系统在中 国联通CDMA移动通信基站上现场试验成功。
3．应 用
基本分类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电 应用）和抗磁性应用。
大电流应用——超导发电、超导输电和储能，如超导电动 机、高温超导电缆、超导储能装置等。
电子学应用——超导计算机、超导天线、超导滤波器等。