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
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
实验二 高温超导体的临界温度和临界电流的测量
在各种新材料特性研究中，其电特性的研究占有相当重要的地位，往往由此揭示新的物理规律和这些材料新的应用前景．追溯超导电现象的发现历史，就是在著名低温物理学家昂尼斯（K.Onnes ，1853-1926）的指导下，实现的氦的液化，达到4.2K 这个当时所能达到的最低温度后，探索在所达到的新的低温区内各种金属电阻变化规律，当选用纯汞作实验时，发现随着温度的下降，汞的电阻先是平缓地减小，而在 4.2K 附近，电阻在很窄的温区内，突然降为零．如图C.2.1所示．他把这种显示零电阻特性的物质状态定为“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
1
5
21
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
Ω
/电阻
K
/温度
4.20 4.22 4.24 4.26 4.28
图C.2.1汞的电阻与温度关系
T ∆
0=R T C
T 起始
T 0
n
R
n
R 9.0 n R 5.0
n
R 1.0 T
R
图C.2.2转变宽度T ∆
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 ∆，如图C.2.2所示．超导体的另一个重要电磁特性是完全抗磁性，即所谓迈斯纳效应．不论超导体是先降温到超导态再加磁场，还是先加磁场后降温，只要温度低于零电阻温度，置于磁场下超导体内的磁感应强度B 都恒等于零，磁场被排斥到超导体外面，该现象称为迈斯纳效应．该效应是超导体区别于理想导体的独有特性．由于磁感应强度B 和磁场强度H 有如下关系：
H M x H B m r ⋅+==)1(0μμ （C.2.1）
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：
V n L r 20μμ= （C.2.2）
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
电阻法测临界电流最常用的方法是四引线法．四引线法示意图如图C.2.3所示，其中两
I
a
c
+
V
-
V
图C.2.3四引线法
端的电流引线与恒流源相连，用以检测超导样品的电压．当产生超导转变时，其电压降为零．采用四引线法的优点在于能够避免引线及接点电阻所引入的测量误差．由于数字电压表的输入阻抗很高，所以引线的接点的接触电阻均可忽略．
用四引线法测超导转变温度的原理简图如图C.2.4所示．图中温度测量是用铜-康铜温差电偶，也可采用铂电阻温度计，铂电阻温度计电阻的对应关系见文献]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．
实验中采用的低温装置是一种简易的真空玻璃杜瓦瓶，内盛液氮，低温可到达液氮温度．超导样品和测量用铂电阻温度计或铜-康铜温差电偶安装在测试探头上，如图 C.2.5所示．当把测试探头浸入液氮并达到热
平衡时，恒温紫铜块、超导样品和温度计均达到液氮温度．提升探头至液氮以上，恒温紫铜块和超导样品同步逐渐升温，可测出超导样品输出电压随温度的变化曲线．
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．
临界电流的测量线路也可用图C.2.4说明，即只要把图C.2.4中的恒流源改用输出电压可调的稳压电源，毫安表改用额定电流为数安培的取样电阻就可以了．改变稳压电源的输出电压，即可改变电流，直到样品发生超导态到正常态的转变．本实验只要求测出液氮温区的临界电流．电路、仪器的配置和参数的选择由同学自己考虑选取．
K
mA
直流放
大器Ⅰ 直流放大器Ⅱ
记
录
仪直流放大器Ⅱ 直流放大器Ⅰ 恒流源
恒温器
冰点槽
x
y 0
T
T
图 C.2.4四引线法测量C T 装置的示意
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 3O 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
7
1
2
3
4 5 6 8 图C.2.5低温装置图
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.
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。