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1、..高溫超導材料的特性與表征【摘要】采用杜瓦容器和低溫恒溫器獲得從液氮沸點到室溫的任意溫度，在此條件下，測量高溫超導材料電阻，確定其起始轉變溫度和零電阻溫度，并觀察記錄鉑電阻溫度計、硅二極管溫度計及銅-康銅溫差電偶溫度計測溫參量的變化，進行溫度計的比對?！娟P鍵詞】液氮、高溫超導、鉑電阻、硅二極管、銅-康銅溫差電偶一、引言從1991年荷蘭物理學家H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)低溫超導體，超導科技發(fā)展大體經(jīng)歷了三個階段：1911年到1957年BCS超導微觀理論問世，核心是提出庫珀電子對；1958年到1985年是超導技術應用的準備階段，成功研制強磁場
2、超導材料，發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應；第三階段是1986年發(fā)現(xiàn)高于30K的超導材料，進入超導技術開發(fā)時代。超導研究領域的系列最新進展，為超導技術在更方面的應用開辟了十分廣闊的前景。本實驗目的是通過對氧化物高溫超導材料的測量與演示，加深理解超導體兩個基本特性；了解超導磁懸浮原理；了解金屬和半導體的電阻隨溫度變化以及溫差電效應；掌握低溫物理實驗的基本方法：低溫的獲得、控制和測量。二、實驗原理1.超導現(xiàn)象、臨界參數(shù)及實用超導體1）零電阻現(xiàn)象將物體冷卻到某一臨界溫度Tc以下時電阻突然降為零的現(xiàn)象，稱為超導體的零電阻現(xiàn)象。具有這種導電特性的物體，稱為超導體
3、。不同的超導體的臨界溫度各不相同。用電阻法測量臨界溫度，把降溫過程中電阻溫度曲線開始從直線偏離處的溫度稱為起始轉變溫度Tc,onset，臨界溫度Tc定義為待測樣品電阻從起始轉變處下降到一半對應的溫度，也稱作超導轉變的中點溫度Tcm。電阻變化10%到90%所對應的溫度間隔定義為轉變寬度?Tc，電阻完全降到零時的溫度為零電阻溫度Tc0。圖1超導體的電阻轉變曲線word教育資料..2）MEISSNER效應1933年，MEISSNER和OCHSENFELD對超導圓柱Pb和Sn在垂直其軸向外加磁場下，測量了超導圓柱外面磁通密度分布，發(fā)現(xiàn)了一個驚人
4、的現(xiàn)象：不管加磁場的次序如何，超導體內(nèi)部磁感應強度總是等于0。超導體即使在外磁場中冷卻到超導態(tài)，也永遠沒有內(nèi)部磁場。這個效應稱之為MEISSNER效應。圖2超導體的磁性3）臨界磁場磁場加到超導體上面，部分磁場能量用來建立屏蔽電流的磁場抵消超導體內(nèi)部磁場。當磁場達到某一數(shù)值，樣品返回正常態(tài)，破壞超導電性，這個磁場稱為臨界磁場Hc。通常我們把ρ=ρ0/2相應的磁場稱為臨界磁場。實驗發(fā)現(xiàn)，有兩類可區(qū)分的磁行為。對于一般導體，在Tc以下，Hc(T)與T遵循HcT=Hc0[1-(T/T0)2]（1）此類導體稱為第Ⅰ類超導體。對于第Ⅱ類超導體，超導
5、態(tài)和正常態(tài)之間存在一個過渡態(tài)，有兩個臨界參數(shù)Hc1和Hc2。HHc1，磁場進入到超導體中，體系仍具有無阻能力，Hc1叫下臨界磁場。H>Hc1后，磁場進入超導體中越來越多，磁化曲線隨著H增加磁矩緩慢減小到0，超導體恢復到正常態(tài)。Hc2叫上臨界磁場。4）臨界電流密度無阻超流態(tài)受到電流大小限制，使超導體恢復到正常態(tài)的電流稱為臨界電流Ic，相應的電流密度稱為臨界電流密度Ic。大多數(shù)金屬超導體正常態(tài)恢復是突變的，對超導和金、化合物及高溫超導體，隨I增加逐漸變到正常態(tài)。1.電阻溫度特性1）純
6、金屬材料的電阻溫度特性純金屬晶體電阻產(chǎn)生于晶體電子被晶格散射和晶格中缺陷熱振動散射。金屬總電阻率表示為word教育資料..ρ=ρLT+ρr（2）其中ρLT表示晶格熱振動對電子散射引起的電阻率，與溫度有關，電阻與溫度的關系決定晶格振動散射。ρr表示雜質和缺陷對電子散射引起的電阻率，一般不依賴溫度。2）半導體材料的電阻溫度特性本征半導體的電阻率ρi為ρi=1nie(μe+μp)（3）ni為載流子濃度，μ=μe+μp為遷移率。電阻率ρi隨溫度上升單調下降。對于雜質半導體，載流子由雜質電離及本征激發(fā)產(chǎn)生，載流子濃度隨溫度變化關系比較復雜，存在電
7、離雜質散射和聲子散射，遷移率變化比較復雜。一、實驗裝置本實驗裝置由以下部分組成：低溫溫度的獲得和控制主要包括低溫恒溫器和不銹鋼杜瓦容器；電測量部分主要包括BW2型高溫超導材料特性測試裝置和PZ158型直流數(shù)字電壓表；高溫超導體的磁懸浮演示裝置。1）低溫恒溫器和不銹鋼杜瓦容器得到從液氮的正常沸點77.4K到室溫范圍內(nèi)的任意溫度，主要測量超導轉變曲線，并在液氮正常沸點附近的溫度范圍內(nèi)標定溫度計。控溫從高溫到低溫，利用液氮液面以上空間存在的溫度梯度來獲得需要的溫度，通過改變低溫恒溫器在杜瓦容器內(nèi)的位置來改變樣品溫度控制降溫速率。圖3低溫恒溫器
8、和杜瓦容器的結構2）電測量原理及測量設備電測量設備核心是BW2型高溫超導材料特性測試裝置、電源盒和PZ158型直流數(shù)字電壓表。BW2型高溫超導材料特性測試裝置主要由鉑電阻、硅二極管和超導樣品等三個電阻測量電
