高温超导材料的特性及表征

高温超导材料的特性及表征

【摘要】

本实验利用液氮降温法了解高温超导材料的基本特性及其测试方法，得到超导转变曲线。并同步了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差效应，得到不同温度计的比较曲线。通过图线读出中所测超导体起始转变温度onset c T ,为在铂丝温度计电压为27mV 时，零电阻温度0c T 为电压为26.33mV 时。再通过超导磁悬浮实验了高温超导材料的磁特性，得到分别在零场冷却，有场冷却下的超导体的磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。在实验过程中掌握液氮低温技术。 【关键词】

零电阻，MEISSNER 效应，磁悬浮 【引言】

超导研究是物理学的前沿课题。自1911年荷兰物理学家翁纳斯发现超导现象以后，人们一直在为提高超导临界温度而努力，直到1986年，才有了极大的进展，现在，临界温度已提高到130K 左右。超导电性的应用十分广泛，例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机等。本实验的内容是低温的获得和控制、各类温度传感器和液面计的特性应用、电阻的四引线测量法、乱真电动势的判定等。 【实验原理】 一、超导体电特性

通常把物体在一定温度下电阻突然跌落到零的现象，称为零电阻现象或超导现象，而把电阻突然变为零的温度称为临界温度，用T C 表示。利用本实验装置（如图2，3所示），可用逐点测量的方法得到高温超导体的电阻转变曲线，并可用标准的方法判断零电阻现象是否实现。除了零电阻现象之外，超导体还具有另一个基本的特征——迈斯纳效应（完全抗磁性），即不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

图 1四引线法测量电阻

样品Rs

标准电池Rn

恒流源

本实验测量设备主要由铂电阻、硅二极管和超导样品三个电阻测量电路构成，每一电路均包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关等五个主要部件。实验中测量样品电压等采用四引线测量法（如图1所示），其基本原理是：恒流源通过两根电流引线将待测电流I 提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线测量样品上电压U 。由于两根电压引线与样品的节点处在两根电流引线的节点之间，因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响；又由于数字电压表的输入阻值很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。因此，四引线测量法减小甚至排除了引线电阻和接触电阻对测量的影响，是国际上通用的标准测量方法。

铂电阻随温度的变化：实验表明铂电阻随温度的变化呈良好的线性关系，本实验中温度在77-130K 范围内，铂电阻R 1随温度T 的关系为： T (K ) = a + b R 1 （ a 、b 值由仪器使用说明书给出）。

半导体电阻以及pn 结的正向电压随温度的变化：半导体具有与金属很不相同的电阻温度关系。一般而言，半导体具有负的电阻温度系数，温度越高，电阻越小。半导体pn 结的正向电压随温度的变化也呈线性关系，用一支二极管温度计就能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高，常用它作为控温敏感元件。

温差电偶及定点液面计的测量电路：当两种金属所做成的导线连成回路，并使其两接触点维持在不同温度时，该闭合回路就会有温差电动势存在。

实验中，利用转换开关和PZ158型直流数字电压表，可以监测铂电阻上电压、硅二极管pn 结正向电压、样品电压、铜—康铜温差电偶的电动势以及可调式定点液面计的指示。 二、超导体磁特性

图2低温恒温器和杜瓦容器的结

引线拉

拉杆固定螺上挡板

锰铜加热器线圈 紫铜恒温块 超导样品

下挡板

引线插拉杆固定螺紫铜圆筒上盖 紫铜圆筒 液氮

温差电偶和液面计 （参考点） 有机玻璃不锈钢杜瓦容器 可调式定点液面计

25Ω锰铜加热器线圈

高温超导样

硅二极管温度计

铜-康铜温差电偶测量端 铂电阻温度

图 3 紫铜恒温块（探头）的结

对于超导体，不管加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零，这个效应称之为MEISSNER 效应。对于一般超导体来说，在c T 以下，临界磁场()T H c 随温度下降而增加，有实验拟合给出()T H c 与T 的关系很好地遵循抛物线近似关系

)()()⎣⎦210C

c c T T H T H -=。此类超导体被称为第Ⅰ类超导体如图4所示。对于第Ⅱ超

导体来说，存在两个临界磁场，即在超导态与正常态之间存在混合态。实验用于观察超导磁悬浮现象的超导体即为第Ⅱ超导体如图5所示。 【实验】 【实验内容】

A 、 超导体电特性的测量

1、 开机准备，预热之后，记录下室温下的温差

电偶、液面计以及样品电压。

2、 将液氮注入不锈钢杜瓦容器，控制液面稳定后达到合适高度。将转换开关旋至“液面指示”处，缓

慢放入低温恒温器，使液面计刚好达到0。

3、 带液面稳定后，再做微调，是液面计在0附近微动。此时便可以开始测量。同时测量温度、样品电压、硅二极管电压以及温差电偶。

4、 将所得数据进行处理即得到三条曲线。 B 、 超导体磁特性的测量

1、 在一放有超导体的泡沫盒没倒入液氮，使得超导体达到超导态，在超导体上方放上磁体，观察磁悬浮现象。

2、 打开计算机，进行磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系测量，最后将所得图像打印，并进行分析。 【实验仪器】

低温恒温器，不锈钢杜瓦容器（图2所示），BW2型高温超导材料特性测试

装置，PZ158型直流数值电压表，超导体磁特性测量仪器 【结果及分析】

由下图可知实验中所测超导体起始转变温度onset c T ,为在铂丝温度计电压为27mV 时，零电阻温度0c T 为电压为26.33mV 时。对照铂电阻阻值-温度关系图可得温度分别为：onset c T ,=

K ； 0c T = K 。而二极管正向电压随温度变化成线性趋势缓慢降低，温差电压随温度变化而成近似线性关系增加。

而二极管变化趋势相对温差电偶小。

从磁悬浮力与超导体-磁体间距图像得出，在零冷场情况下磁悬浮力在一定范围内迅速增加，而在冷场情况下磁悬浮力先是缓慢反向增加，而后迅速正向增大。 【结论及建议】

1、实验中所测超导体起始转变温度onset c T ,= K ，零电阻温度0c T = K 。硅二极管正向电压随温度增高而线性降低，温差电偶随温度增加而线性上升。

2、在无冷场情况下，磁悬浮力只以斥力存在，而在有冷场情况下，在一定距离内，磁力以吸引力存在，虽然这种力很小。

3、由磁悬浮力与超导体-磁体间距图像分析另得，在磁体逼近超导体时，超导体内无磁场，而超导体与磁体接触之后体内会有微弱磁场存在，因此磁体远离时的磁力变化更快。 建议：

实验中液面计示数很不稳定，电压跳动范围过大，在操作中需要多次调解杠杆。 【参考文献】

近代物理实验补充讲义 近代物理实验