实验二 高温超导体的临界温度和临界电流的测量

实验二 高温超导体的临界温度和临

界电

流的测量

“超导态”，该现象称为“超导电性”．又如现在广泛应用的半导体，其基本特性的揭示是和电阻-温度关系的研究分不开的．而在低温测量中广泛应用的电阻温度计，完全是

建立

在对各种类型材料的电阻-温度关系研究的基础上的．

实验目的

１.掌握超导材料临界温度和临界电流测试原理和方法． 2.测量反映高温超导体基本特性．

3.利用电磁测量的基本手段来研究高温超导体．

仪器和用具

低温装置（包括真空玻璃杜瓦和测试探头），数字电压表2台（分别为2

15

2

1

4和位的数字电压表），铂电阻温度计或铜-康铜温差电偶，恒流源（100mA ，100Ω），直流稳压电源与标准电阻（10Ω、1Ω），高温超导样品，铟丝，银引线（或细漆包线），液氮，直流放大器．

实验原理

１.超导体的基本特性——零电阻现象和

迈斯纳效应

超导材料有两个不同于其他材料的最基本特性，即零电阻现象和完全抗磁性

（也称

迈斯纳效应）．零电阻现象是指具有超导电性的材料，当温度下降时，其电阻随温度下降发生缓慢的变化（一种是金属性的材料，其电阻缓慢下降；一种是显示半导体性，其电阻缓慢升高），而当到达某一温度时，其电阻在很窄的温区内，从n R 急剧地变为零，超导体呈现零电阻现象．为描述电阻陡降的突变过程，可以定义如下几个特征温度：起始转变温度起始T 是指电阻随温度的变化偏离线性的温度；临界温度C T 是指电阻值下降到2/n R 时所对应的温度，零电阻温度0=R T 为电阻刚降至零时对应的温度，而把电阻变化1/10到9/10所对应的温度间隔定义为转变宽度T ∆

式中0μ为真空磁导率，r μ为介质的相对磁导率，m x 为磁化率．当发生正常态到超导态的转变时，r μ由1变到零，或者说磁化率由近于零变到-1，从而使超导体内部B=0．如果把超导体材料作成线圈的芯子，则线圈自感L 和介质的磁导率的关系如下：

式中n 为线圈单位长度的匝数，V 为线圈的体积，可见当发生超导转变时，磁导率

r μ发生变化，线圈的电感量也变化．利用超导转变时，线圈电感量变化来测量临

界温度的方法，称为电感法．

１.临界电流

当通过超导线的电流超过一定的数值后，超导态便被破坏，转变为正常态，该

电流I c 称为超导体的临界电流．当电流超过一定值后，所以能引起超导态到正常态的转化，其根本原因是由于电流所产生的磁场（自场）超

过临

界磁场引起的．各超导体临界电流的大小，除和超导材料组成和结构有关外，对同一种超导材料而言，与其截面积的大小和形状有关．

２.测量方法及参考方案

]

3[所附分度值表．如用铜-康铜温差电偶，则必须利用铂电阻温度计在所使用的

温区（即77K~室温）对铜-康铜温

差电偶进行定标．通过样品的电流

在毫安量级．

本实验所用的高温超导样品是采用烧结工艺制备的多晶超导块材料，其结构式为Yba 2Cu 3O 7-δ，式中δ为与超导样品氧含量有关的系数，样品的转变温度约为92K 左

右，由

于该样品无法用焊接法直接引出引线，四引线发的四根引线是用铟丝将细银丝粘压在高温超导样品表面，然后再焊在接线片上．所有引线均由德银管引出与德银管上端的接线插座相连，并由接头接到

测量电路．

若采用磁测量法测转变温度，可参阅

本实验后所附参考文献，自己组装测量和调试测量装置．在科研工作中，由于研究工作的需要，往往要根据或参考别人的文献，并根据自己所需解决的问题和仪器设备条件，加以适当的改进，实现测量，这也是科研能力的训练．

在以上测试中由于要用到低温容器与液氮，使用中必须注意遵守下列安全规

C T 装置的示意图

1.真空玻璃杜瓦；

2.德银管；

3.外套筒；

4.超导样品；

5.恒温紫铜块；

6.液氮；

7.铂电阻温度计；

8.接线片.

则：

１.所有盛放在低温液氮的容器都必须留有供蒸发气体逸出的孔道，以免容器内压力过大引起事故．

２.液氮灌入玻璃杜瓦时，应缓慢灌入，避免骤冷引起杜瓦的破裂．灌注液氮采用专用液氮灌注器．

３.实验中注意不要让液氮触及裸露的皮肤特别是眼睛，以免造成严重的冻伤．４.使用液氮时，室内应保持空气通畅，防止液氮的大量蒸发造成室内缺氧．因为氧含量低于14%~15%，会引起人的昏厥．

实验内容

1.高温超导样品的准备

本实验提供的高温超导样品，是用一般陶瓷烧结工艺制备的，先按照1：2：3的理想配比，将氧化钇、氧化铜和碳酸钡的分析纯粉末混合，然后经过研磨、预烧、压片和烧结等工艺制成直径为12mm、厚度为1mm的超导圆片，结构式为

Yba

2Cu

3

O

7-δ

．经切割后成为2mm×1mm截面的条形试样．粘压引线的方法如下：把

从铟丝上切割下的铟粒新鲜面用削尖的竹简压贴在试样的表面，银引线的一端置于压贴好的新鲜铟面上，上端再用新鲜的铟粒面压贴固定，这样可形成良好的欧姆接触．可用万用表检查接点是否良好．

2.用四引线法测量高温超导样品的临界温度，求出几个特征温度．根据提供的测试仪器和设备，决定测量方案和测试线路，选择测量参数和操作步骤，完成测量．

3.测量所提供样品的临界电流，计算临界电流密度．

4.参阅参考文献，用磁测量法测量临界温度，同学也可根据迈斯纳效应的特点，

设计其他观察研究迈斯纳效应的实验方法．

参考文献

[1]章立源等．超导物理．北京：电子工业出版社，1987.8

[2]贾起民，郑永令．电磁学下册．上海：复旦大学出版社，1987.182——190

[3]戴乐山．温度计量．北京：中国计量出版社，1987.182——190

[4]吕斯骅，朱印康．近代物理实验技术．北京：高等教育出版社，1991.240

[5]俞永勤等．频率法在高温超导体中的应用．低温与超导，1989，17（4）：39——42