近代物理实验报告 -高温超导

近 代 物 理 实 验 报 告

实验题目：高温超导材料的特性与表征

作者：李健

时间：2015-09-17

高温超导材料的特性与表征

【摘要】本实验主要通过对高温超导材料Y-Ba-Cu-O特性的测量，理解超导体的两个基本特性，即完全导电性和完全抗磁性，了解超导磁悬浮的原理。本实验利用液氮将高温超导材料Y-Ba-Cu-O降温，用铂电阻温度计测量温度，通过测量铂电阻的大小及查询铂电阻-温度对照表得出相应的温度，再电压表测得超导体电阻，即能得到超导体电阻温度曲线，测得该样品的超导转变温度约为93K；再通过超导磁悬浮实验验证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磁体间距的关系曲线。

【关键词】高温超导 零电阻现象 MEISSNER效应 低温恒温器 四引线法 磁悬浮

【引言】

从1991年荷兰物理学家卡默林·翁纳斯（H.K.Onnes）发现低温超导体，超导科技发展大体经历了三个阶段：1911年到1957年BCS超导微观理论问世，是人类对超导电性的基本探索和认识阶段，核心是提出库珀电子对；第二阶段是从1958年到1985年是超导技术应用的准备阶段，成功研制强磁场超导材料，发现约瑟夫森效应；第三阶段是1986年发现高于30K的超导材料，进入超导技术开发时代。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在更方面的应用开辟了十分广阔的前景。

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、超导微波器件等，超导电性还可以用于计量标准，在991年1月1日开始生效的伏特和欧姆的新实验基准中，电压基准就是以超导电性为基础。

本实验目的是通过对氧化物高温超导材料的测量与演示、加深理解超导体两个基本特性；了解超导磁悬浮原理；了解金属和半导体的电阻随温度变化以及温差电效应；掌握低温物理实验的基本方法：低温的获得、控制和测量。

【正文】

实验原理

1.超导现象、临界参数及实用超导体

零电阻现象

将物体冷却到某一临界温度Tc以下时电阻突然降为零的现象，称为超导体的零电阻现象。不同的超导体的临界温度各不相同。如下图，用电阻法测量临界温度，把降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度Tc,onset，临界温度Tc定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半对应的温度，也称作超导转变的中点温度Tcm。电阻变化10%到90%所对应的温度间隔定义为转变宽度△Tc，电阻全降到零时的温度为零电阻温度Tc。通常说的超导转变温度Tc指Tcm。

MEISSNER效应

1937年德国物理学家迈斯纳和奥克森·菲尔德发现，当T<Tc时，不论道题是否处于外加磁场中，在超导体内部总有磁感应强度B=0。

超导临界参数

临界电流Ic：破坏样品的超导电性所需要的最小电流值。

临界磁场Hc：破坏样品的超导电性所需要的最小磁场值（相应的电流密度称为临界电流密度Jc）。

外加磁场越强，临界电流越小，临界磁场强度随温度的升高而减小，并在转变温度Tc处降为零。临界电流密度在较高温度下减小。要使导体处于超导态，必须将其置于Tc、Ic、Hc以下，只要其中一个条件被破坏，超导态都会被破坏。

（4）两类超导体

实验发现，有两类磁行为。第一类，对于一般导体，Tc一下，Hc(T)与T遵循Hc(T)=Hc(0)[1-(T/T0)2 ]，如图2，这类导体称为第 = 1 \* ROMAN I类导体；第二类超导体，超导态和正常态之间存在一个过渡态，如图3，有两个临界参数Hc1和Hc2。H<Hc1，具有和第I类超导体相同的MESSNER磁矩；H>Hc1，磁场进入到超导体中，体系仍具有无阻能力，Hc1叫下临界磁场。H>Hc1后，磁场进入超导体中越来越多，磁化曲线随着H增加磁矩缓慢减小到0，超导体恢复到正常态。Hc2叫上临界磁场。

高温超导体成为第 = 2 \* ROMAN II类超导体。

（5）实用超导体—非理想性的第 = 2 \* ROMAN II类超导体

只有体内组分分布均匀，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为才呈现完全可逆，称为理想型第 = 2 \* ROMAN II类超导体，反之，则称为非理想性第 = 2 \* ROMAN II类超导体或硬超导体。

图2 图3

2电阻温度特性

（1）纯金属材料的电阻温度特性

纯金属晶体电阻产生于晶体电子被晶格散射和晶格中缺陷热振动散射。金属总电阻率表示为

ρ（T）表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关，电阻与温度的关系决定晶格振动散射。在高温区，当T>112.5K时，ρ（T）与T成正比。在低温区，当T<112.5K时，ρ（T）与T^5成正比。ρr表示杂质和缺陷对电子散射引起的电阻率，一般不依赖温度。

（2）半导体材料的电阻温度特性

本征半导体的电阻率为

ni为载流子浓度，为迁移率。电阻率随温度上升单调下降，对于杂质半导体，载流子由杂质电离及本征激发产生，载流子浓度随温度变化关系比较复杂，存在电离杂质散射和声子散射，迁移率变化比较复杂。

二、实验装置

本实验装置由以下部分组成：低温温度的获得和控制主要包括低温恒温器和不锈钢杜瓦容器；电测量部分主要包括BW2型高温超导材料特性测试装置和PZ158型直流数字电压表；高温超导体的磁悬浮演示装置。

1.低温恒温器和不锈钢杜瓦容器

该转纸的目的得到从液氮的正常沸点77.4K到室温范围内的任意温度，主要测量超导转变曲线，并在液氮正常沸点附近的温度范围内（77-140K）标定温度计。控温从高温到低温，利用液氮液面以上空间存在的温度梯度来获得需要的温度，通过改变低温恒温器在杜瓦容器内的位置来改变样品温度控制降温速率。

2．电测量原理及测量设备

电测量设备核心是BW2型高温超导材料特性测试装置电源盒和PZ158型直流数字电压表。BW2型高温超导材料特性测试装置主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等三个电阻测量电路构成，每一电路包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关五个主要部件。

（1）四引线测量法：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。恒流源通过两根电流引线将测量电流I提供给带测样品，而数字电压表则是通过两根引线来测量电路I 在样品上所形成的电势差U。四引线法减小甚至排除了引线和接触电阻对测量的影响。

电阻测量电路如下图

测量得出待测样品上的电压Ux，则待测样品的电阻Rx为：

（2）铂电阻和硅二极管测量电路

如图（a）（b）所示

（b）

（c） （d）

3超导样品测量电路：如图（d）

4温差电偶及定点液面计的测量电路:如图（d）

5电加热器电路：如图（c）

三、实验过程

1、按照指示步骤，校准仪器并测量室温下各个样品的电压，打开电路。

2、检测室温。

3、液氮的灌注：用管子将液氮从储藏瓶中灌注到暖瓶中。

4、将液氮倒入杜瓦瓶中，液氮的液面距离杜瓦瓶瓶口30cm左右比较合适。

5、将样品伸入杜瓦瓶中，若将样品伸入液氮当中，需要取出烘干方可继续试验。

6、在降温过程中测量相关数据。得到超导转变曲线。

7、做高温超导的磁悬浮演示实验。

8、利用实验装置测量高温超导体的磁悬浮力与距离之间的关系，分别得到得到场冷和零场冷条件下磁悬浮力与距离之间的变化曲线。

四、数据记录

1超导转变曲线的测量（见附录1）

2超导磁悬浮现象的演示

磁悬浮现象是由于超导体的完全抗磁性而产生的钉扎力造成的，会将磁铁完全束缚到一个特定的位置。与通常所说的利用磁极同性之间的排斥作用并不相同。而最终磁铁的具体位置是和初始位置相关的。本实验通过液氮冷却样品，最终观察到了磁悬浮现象。

3高温超导体磁悬浮力测量

场冷条件：在有磁场条件下，用液氮将超导体冷却到超导态，高温超导盘片与磁块间距离由零开始均匀增加，通过装置得到相应的磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线（见附录2）

零场冷条件：用液氮将超导体冷却到超导态，高温超导盘片与磁块间距离由70mm以上开始递减，通过装置得到相应的磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线（见附录3）

五、实验误差与分析

本实验由于实验操作方面等的影响可能会带来一定的误差。具体如下：

测量过程中，

1 由于实验过程中液氮不够，中途添加了液氮，是的温差产生了变化，对实验数据造成了一定的影响，使得温差电偶随时间的变化并非呈现严格的线性关系。

2样品所放位置不够合适导致降温速度很快。虽然可以观察到超导现象，但是在超导临界温度附近记录下来的数据并不是很多。造成了一定的误差和影响。

3本实验并未考虑由乱真电动势的影响而造成的误差，因此并未在原有基础上进行一个修正，这是本实验的一个缺陷之处。

3 本实验温度的获得是测量样品的电阻与标准进行比较而得到的。由于表中给出的参考点有限。因此在比对的过程中得到的温度不是很准确，会产生一定的误差。

4 在测量各个数值的时候，由于降温一直在进行，数值一直在变化，因此会造成各个读数时间不一致，得出结果有一定误差。

【实验结论】

实验一通过液氮冷却的方法，测量了铜康电阻的超导特性曲线，得到了超导转变的临界温度。实验二的演示加深了我对超导磁悬浮的理解与认识。通过实验三我分别得到了场冷和零场冷条件下磁悬浮力与导体-磁体间距的关系曲线，磁悬浮力随着距离的增大而减小。

【参考文献】

1熊俊 《近代物理实验》，北京师范大学出版社，P307—315。

2 熊俊 高温超导补充讲义