高温超导转变温度的测定

1986年期间由于在陶瓷材料镧钡铜氧（La-Ba-Cu-O）中发现了超导现 象，而且其临界温度为35K，使人们对超导现象有了新的认识。紧接 着中、日、美的一些科学家又发现了一系列临界温度更高的超导体， 据报道汞系如汞钡钙铜氧（Hg-Ba-Ca-Cu-O）临界温度已高达133K。 人们把那些临界温度高于液氮温度的超导材料称做高温超导体。现在 已发现的高温超导材料有上百种，可是高温超导的性质还无法用BCS 理论解释。其理论还远落后于实验。
3．超导体的临界参数:
临界温度TC:超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。
临界电流密度JC:通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度
才能保持超导体的超导性。
临界磁场HC:施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导
体的超导性。
※超导体的三个临界参数 它们与物质内部的微观结构 有关，这三个条件任何一个 被破坏，物质将失去超导状 态。
4.超导材料的电阻测量方法：目前采用的高温超导材料大
多是质地松脆的陶瓷材料,测量电极与被测材料很难作到非常良好的接触 ，为了消除接触电阻对测量的影响，常常采用四端子测量法，如右图.
由于是低温物理实验,其装置的原则 之一是必须尽可能减小室温漏热。
测量引线通常是又长又细，其电阻值要 有可能远远超过待测样品（如超导样品） 的阻值。
零电阻效应是对直流而言， 如果是交流电，则存在着交流损 耗而产生交流电阻。
2．完全抗磁性(称迈斯纳效应):是指当物质由正常态进入到
超导态后其体内的磁通量被完全排出体外即体内磁感应强度总是为零的 一种状态。这种状态的产生不管是先加磁场再降温还是先降温再加磁场.
零电阻效应与完全抗磁性这两个基本特性即相互独立又相互联系，单 纯的零电阻效应不能保证完全抗磁性的存在，可是它又是完全抗磁性存 在的必要条件。
目前，超导电性的应用已经相当的广泛，一类是利用超导体的零 点阻特性的材料，它要求材料承受大电流大磁场，称为超导电力材料 ，如超导电缆或超导磁悬浮列车等。另一类是利用超导体的一些量子 效应，只涉及小电流或弱磁场的超导材料，被称为超导电子材料，如 一些超导薄膜制成的电子器件等等。
(高温超导电缆)
(磁悬浮)
超导电现象的首次发现是在1911年，当时的荷 兰莱登大学教授昂纳斯在测量汞的电阻在低温 下变化的情况时，发现当温度降到4.15K时，
R
一般导体
汞的电阻突然下降为零，（称使汞的电阻下降 为零的温度为临界温度），这一令人吃惊的现
汞（超导体）
象很快的引起了全世界科学家的广泛兴趣。这
之后很多人对超导现象的理论和应用进行了不 懈的探索和研究，经过70多年的努力，到1986
0
T
止，已经发现或制造出上千种的超导材料，然而这些材料当中临界温 度最高的铌三锗（Nb3Ge）才达到23K，很长的时间里将临界温度向上 提高1K都是很难的，由于获得这样的低温相当不容易，这就给超导的 应用带来许多困难。
理论上对于超导电性是如何的解释的呢？1957年美国的三位科学家 提出了被称为BCS的超导电性的微观理论，比较成功的解释了超导电性 的各种基本性质。虽然BCS理论在解释金属的超导电性得的成功，但是 它也限制了人们的思想，按照BCS理论人们认为超导电现象似乎只能在 金属或金属的合金中发生，而且临界温度到达30K时就已是极限。因此 人们将需要在低于这个温度下运行的超导材料叫做低温超导体。
实验的注意事项：
1、装液氮时一定要缓慢，防备液氮伤及身体。 2、有盛放低温液氮的容器都必须留有蒸发气体逸出的孔道，以免容 器内部压力过大引起事故。 3、使用液氮时，应注意保持室内空气通畅，防止液氮的大量蒸发，造成 室内严重缺氧，引起人的昏迷。 4、注意样品的干燥保存，不能在低于0℃状态下暴露在大气之中。
４、处理数据：求样品的阻值Ｒ和对应的样品温度Ｔ。 做出Ｒ－Ｔ曲
线。并确定转变温度。
5、在真空杯中放入泡沫塑料和块状磁钢，从干燥箱中取出小块超导材
料（如Y-Ba-Cu-O）样品，将它放在磁钢上。 6、向杯中缓慢到入液氮，超导材料将从正常态变为超导态。此时可以 观察到超导材料悬浮在液氮中间，这就是超导材料排斥磁力线的结果。
实验的步骤
１、灌注液氮：注意掌握液氮的高度。其高度可用所附的碳棒探测估计。
２、连接电路：将放大器上的航空头分别接到主机上对应的航空插座上。 ３、记录数据：通过主机面板上两数字电压表的显示值，记录下某一
时刻的样品电压和温度计电压。(记录方式有三种，分别为： X—Y记录仪直接记录；读取测量主机面板上的数字电压表人工记录；连 接电脑实时记录。)
2、超导样品为常规的四引线接 头方式，其电流、电压引线分 别连接到样品架的相应接头上
3、样品架的温度由装于其块体 内的铂电阻温度计测定。
4、样品电阻的四引线和铂电阻 的四引线通过紫铜热沉后接至 探棒上端，再分别接至各自的 恒流源和电压表。
。
（三） 前级放大部分
1、样品上的电压经放大器放大 10000倍后的输出，其与主机的 连接线在5芯航空头上。
2、是样品电流的测量端，其与 主机的连接线也在5芯航空头上.
3、两个插座为样品两电压端的 直接引出点，未经放大，此处也 可直接连到记录仪的X－Y端
（四）测量仪主机
１. 数字电压表：显示温度 计电流和经放大后的样品电 压值，只要除以已知的放大 倍数 (通过放大倍数切换开 关来获得)，就可以得到样品 的原始电压值，样品的阻值 由原始电压值除以样品电流 值得到。 ４. 数字电压表：用于显示 样品电流和经放大后的温度 计电压值，只要除以已知的 放大倍数(40倍)就可以得到 温度计的原始电压值，通过 查表，就可以得出其对应的 温度值； 5. 样品电流调节电位器： 用来调节样品所需要的电流 大小，电流范围为 1.5mA到 33mA，连续可调。
(磁悬浮列车)
实验目的
1、了解FD-TX-RT-II高温超导转变温度测定仪的结构 及使用方法； 2、掌握液氮低温技术； 3、利用FD-TX-RT-II高温超导转变温度测定仪，测量 氧化物超导体YBaCuO的超导临界温度. 4、能利用FD-TX-RT-II高温超导转变温度测定仪拓展 测量和研究其它材料的电特性和温度的关系.
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(五）高温超导转变温度测量仪结构以及连线示意图
实验探棒和 前级放大器
低温液氮杜 瓦
测量仪主机
实验原理
1.零电阻效应:当物质温度下降到某一确定值TC（临界温度）时，
物质的电阻由有限值降为零的现象称为零电阻效应，也称物质的完全 导电性，此物质被称为超导体。 超导体在由正常的有阻状 态向零电阻的超导态转化 时，是在一个有限的温度 间隔里完成的: 1）起始转变温度T起始。 2）临界温度TC。 3）零电阻温度TR=0。 4）转变宽度ΔT。
高温超导转变温度的测量
大
作学
理
者物
学 院
高 峰
理 实
实
验
验
中
心
目录
引言 实验目的 实验仪器 实验原理 实验内容与步骤 数据的记录与处理 实验的拓展
H.Kamerlingh-Onnes 朱经武（Paul Ching-Wu Chu）
引言
超导电性是指某些物质在低温下电阻变为零和排斥磁力线的特性，我 们将具有超导电性的材料称为超导体材料。
50R
R样品=0瞬间， T=TC
T
数字电压表
U温度计 R T 查
表
直接测量：
U I 样品， 0
U温度计
U样品=0瞬间， U温度计=？
注：铂电阻温度计在室温到液氮温区内，满足：
R(T ) AT B
实验的内容与步骤
实验内容：
1.在恒定电流下测量高温超导体（如Y-Ba-Cu-O）的R—T（电阻—温度） 关系曲线，求出临界温度TC。 2.高温超导体磁悬浮现象的观察。
实验数据记录与处理
1、按科技论文的要求自拟数据表格。
2、选择“X—Y记录仪直接记录；读取测量主机面板上的数字电 压表人工记录；连接电脑实时记录。”中的一种方式记录数据。 3、样品Y-Ba-Cu-O“Ｒ－Ｔ”曲线图：
实验的思考与拓展
1.进入超导态的物质有哪两种特性? 2.什么是高温超导材料? 3.为什么采用四引线法可避免引线电阻和接触电阻的影响？ 4.用液氮制冷技术应该注意哪些事项？ 5.在实验中如何判断样品已进入超导状态？ 6.试比较理想导体与超导体的区别。 7.拓展本实验的内容设计一个测量研究深冷液体汽化热的实
验。 8.举例说明超导的应用(自己拓展设计一些应用题目)。
附：超导技术应用的欣赏
1、上海常导磁悬浮列车
2、超导材料做成磁性极强的超导磁铁， 应用于高能量粒子超導加速器及碰撞器
3、用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构醫療用MRI
4、超導磁流體發電機
5、超導输电设备
6、全超导托卡马克——EAST(合肥1994)
实验仪器
(一)设备的全貌
低温液氮杜瓦（盛放液氮的容器）
实验探棒和前级放大器（探棒：安
装超导样品和温度计供插入低
温杜瓦实现变温．） 测量仪主机 （测量：U样品，I0， U温度计）
(二)底部样品室的结构
1、样品室外壁和内部样品架均 由紫铜块加工而成，通过紫铜 块外壁与液氮的热接触，将冷 量传到内部紫铜块样品架中。