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
量
“超导态"，该现象称为“超导电性"•又如现在广 其基本特性的揭示是和电阻 -温度关系的研究分不开 中广泛应用的电阻温度计，
完全是建立在对各种类型
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
1 1
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4一禾口5 —位的数字电压表），
铂电阻温度
2 2
计或铜-康铜温差电偶，恒流源（100mA ，100 Q ）,直流稳压电源与标准电阻（ 10Q 、1Q ），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 .超导体的基本特性一一零电阻现象和迈斯 超导材料有两个不同于其他材料的最基本特
完全抗磁性（也称迈斯纳效应）.零电阻现象是 料，当温度下降时，其电阻随温度下降发生缓慢 性的材料，其电阻缓慢下降； 一种是显示半导体 高），而当到达某一温度时，其电阻在很窄的温 变为零，超导体呈现零电阻现象. 为描述电阻陡
定义如下几个特征温度：起始转变温度
T 起始是
偏离线性的温度；临界温度 T C 是指电阻值下降
的温度，零电阻温度 T R 0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
界电流的测
泛应用的半导体， 的.而在低温测量 材料的电阻-温度
纳效应
性，即零电阻现象和 指具有超导电性的材 的变化（一种是金属 性，其电阻缓慢升 区内，从R n 急剧地 降的突变过程，可以 指电阻随温度的变化
到R n / 2时所对应
阅本实验后所附参考文献，自己组装测 T C 装置的示意图
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岀
式中0为真空磁导率， r 为介质的相对磁导率，
X m 为磁化率•当发生正常态到超导态的转变时,
r 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 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, 电流所产生的磁场（自场）超过临界磁场引起的.各超 小，除和超
导材料组成和结构有关外，对同一种超导材 积的大小和形状有关. 2 .测量方法及参考方案 其根本原因是由于 导体临界电流的大 料而言，与其截面 ⑶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 晶超导
块材料，其结构式为 Yba 2Cu 3O 7- 样品氧含量有关的系数，样品的转变温 由于该样品无法用焊接法直接引出引 引线是用铟丝将
细银丝粘压在高温超导 在接线片上•所有引线均由德银管引出 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
恒流源
烧结工艺制备的多
冰点槽
直流放
大器H
S ，式中
S 为与超导 度
约为92K 左右， 线，四引线发的四根 样品表面，然后再焊 与德银管上端的接
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.
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 1 2mm 、厚度为1mm 的超导圆片，结
构式为Yba2Cu3O7-「经切割后成为2mm x 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，求岀几个特征温度. 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
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