高温超导实验报告

【实验名称】高温超导材料特性测试和低温温度计

【目的要求】

了解高温临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。

了解金属和半导体 PN节的伏安特性随温度的变化以及温差 电效应。

学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制

的简便方法

【仪器用具】

低温恒温器（俗称探头，其核心部件是安装有高临界温度超导体、 铂电阻温度计、硅二极管温度计、铜-康铜温差电偶及25Q锰铜加热 器线圈的紫铜恒温块），不锈钢杜瓦容器和支架，PZ158型直流数字 电压表（5位半，1^V）, BW型高温超导材料特性测试装置（俗称电 源盒）,以及一根两头带有19芯插头的装置连接电缆和若干两头带有 香蕉插头的面板连接线。

【实验原理】

1、高临界温度超导电性

低温下导体电阻降低到零的现象称为零电阻现象或超导电现

象，具有超导电现象的物体成为超导体。

超导体电阻突然变为零的温度，称为超导转变温度。维持外界 磁场、电流和应力在足够低的值，样品在一定外部条件下的超导 转变温度，称为超导临界温度 Tc。但在一般测量中，地磁场没有 被屏蔽，样品中通过的电流也不太小，而且超导转变往往发生在 并不很窄的温度范围内，因此引进起始转变温度Tc,onset，零电阻温 度TcO和超导转变（中点）温度Tem来描写高温超导体的特性。

2、三种温度计的温度特性

（1）金属电阻温度计

一般而言，金属具有正的电阻温度系数。金属纯度很高时，总

电阻可以近似表达成：R=F（T）+Rr，R称为剩余电阻。在液氮温度

以上，R（T）>>R，则有R^R仃）。

在液氮正常沸点到室温温度范围内，铂电阻温度计具有良好的 线性电阻温度关系，可表示为：R(T)=AT+B或T(R)=aR+b其中 A,B和a,b是不随温度变化的常量。通过铂电阻温度计在液氮正 常沸点和冰点的电阻值，可以确定铂电阻温度计的 A, B和a,b的

值，并由此可以得到铂电阻温度计测温时任一电阻值所对应的温 度值。

半导体温度计

一般而言，半导体具有负的电阻温度系数。在恒定电流下，硅

和砷化镓二极管PN结的正向电压随着温度的升高而降低， 一支二

极管温度计能测量很宽范围内的温度，而且灵敏度很高。

温差电偶温度计

两种金属所做成的导线连成回路，并使其两个接触点维持在不 同的温度时，该闭合回路中就会有温差电动势存在。如果将回路 的一个接触点固定在一个已知的温度，则可以由所测量的温差电 动势确定回路的另一接触点的温度。

3、未知电阻的四引线测量法

由于低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏 热，因此测量引线通常是又细又长，其阻值有可能远远超过待测 样品(如超导样品)的阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的 影响，通常采用“四引线测量法”，即每个电阻元件都采用四根引

线，其中两根为电流引线，两根为电压引线。

标桂电阴Rn

标桂电阴Rn 未知电阴取

恒流源通过两根电流引线将测量电流 I提供给待测样品,

匸Un/Rn。测量待测样品上的电压

匸Un/Rn。测量待测样品上的电压

U,则待测样品的电阻为:

Rx

Ux

Ux

Un

Rn

4、乱真电动势和零电阻的判断

即使电路中没有来自外电源的电动势，只要存在材料的不均匀 性和温差，就有温差电动势存在，称为乱真电动势和寄生电动势。

　在低温物理实验中，待测样品往往处在低温下，而测量仪器却处 在室温。因此它们之间的连接导线处在温差很大的环境中。 而且,

沿导线的温度分布还会随着低温液体液面的降低、低温恒温器的 移动以及内部情况的其他变化随时间改变。所以，在涉及低电动 势测量的低温物理实验中，特别是超导样品的测量中，判定和消 除乱真电动势的影响是十分重要的。为了判定超导样品是否达到 零电阻的超导态，必须使用反向开关。

【实验步骤和过程数据记录】

1、 连线及室温检测

铂电阻电流，硅二极管电流100^A,超导样品电流10mA

室温下，测量得：

铂电阻电压：

硅二极管电压：

样品电流：

样品电压：，-

铂电阻温度计：T（R）=aR+b

a=Q , b=

计算得：室温To=

2、 温度计的比对 （数据表格及图见后）

3、 超导转变曲线（数据表格及图见后）

4、 液氮沸点的测量

铂电阻电流：、阻值：Q,硅二极管电流：［1A、电压：，温差

电动势：，样品电压：、电流：、阻值：Q,液面计:

利用公式T(R)=aR+b计算得：液氮的沸点T(Ln》=

【数据表和坐标图】

O

7.

0.0

85.00

■

/

i

1

i 1

II

J

1

i i

u

超导转变曲线

1.0

95.00

O

5

O

4 mmurn/r

o

2

105.00 115.00

T/K

125.00 135.00