高温超导实验报告.doc

高温超导转变温度测量 徐旭东 物理112 11180243摘要：很多金属材料都有一定的电阻。这些金属材料用于给定技术方面时，有一定的负面作用，例如电流流过金属材料时会发热，若电阻过高会损坏金属器件；另一方面也造成了能量损失。而一些超导材料在满足一定低温时是零电阻，可制造无损耗或者损耗极小的高强磁体，减少了过多的能量损失。因此其转变温度的测量至关重要。关键词：超导材料；零电阻；转变温度；无损耗引言：高温超导转变温度测量仪是测量超导体零电阻基本特性的专用实验设备，用以观察、测定超导体的最基本参量转变温度。采用常规的四引线法，在恒定电流下测量电阻温度关系，进而测定转变温度。实验中通过样品提离和浸入液氮来实现温度的升降。一 实验目的 学习液氮低温技术； 测量氧化物超导体的临界温度，掌握用测量超导体电阻温度关系测定转变温度的方法。 了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法。二、对超导体的理解1、零电阻现象当把金属或合金冷却到某一确定温度TC以下，其直流电阻突然降到零，把这种在低温下发生的零电阻现象称为物质的超导电性，具有超导电性的材料称为超导体。电阻突然消失的某一确定温度TC叫做超导体的临界温度。在TC以上，超导体和正常金属都具有有限的电阻值，这种超导体处于正常态。2、完全抗磁性当把超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透超导体，而使体内的磁感应强度始终保持为零。一、 仪器介绍实验装置图1、探棒探棒是安装超导样品和温度计供插入低温杜瓦瓶实现变温的实验装置。控制探棒插入液氮中的深度，可以改变样品架的温度变化速度。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。样品架的温度由铂电阻温度计测定。 探棒样品室内部结构示意图2、前级放大部分 前级放大器框图其中1为样品上的电压经放大器放大1000倍后的输出, 其与主机的连接线在5芯航空头上。3、测量仪主机 测量仪主机前面板其中1为数字电压表，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；4为数字电压表，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，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。二 实验方案设计1、实验原理介绍实验中要测电阻及温度二个量。样品的电阻用四引线法测量，通以恒定电流，测量二端的电压信号，由于电流恒定，电压信号的变化即是电阻的变化。而温度则用铂电阻温度计测量，它的电阻会随温度变化。实验中温度计通以恒定电流1.00mA，测量温度计两端电压随温度变化情况，多测量温度计电压及其电流，得到一系列的温度值，然后查表得其对应温度值。 温度的变化利用液氮杜瓦瓶空间的温度梯度来获得。通常样品电流通以10mA较合适。过高会产生热量；过低则电压的变化不明显，这便对电压表的要求较高。通过测量样品两端的电压值和电流值（电流值恒定为10mA），电压除以恒定电流得到其电阻。再由上表可知每一个温度计电压对应一个温度，每一个样品电压对应一个电阻，于是便得到了温度电阻的关系曲线。通过对曲线的观察，则超导材料的转变温度从关系曲线中可以一目了然。2、实验过程 样品、探棒与测量仪器用连接线连接起来。 样品连线连接好以后，开启电源，小心地把探测头浸入杜瓦瓶内，待样品温度达到液氮温度后，观察此时样品出现信号。 样品温度达到稳定到液氮温度时，记下此时的样品电压及温度电压值，然后把探测头小心地从液氮瓶内提拉到液面上方，温度会慢慢升高，在这变化过程中，温度计的电压信号及样品的电阻信号会同时变化，同时记录这二值。作图即可求得转变温度。 再从高温到低温测量一次，观察二条曲线是否重合。二、 测量数据与分析通过利用液氮杜瓦瓶空间的温度梯度，再借助相关仪器得出以下曲线。根据关系曲线图可知，随着温度的降低，样品阻值变化微小，到达某一温度后样品阻值突然下降，而且下降十分迅速。根据这一特征便可以算出其转变温度。由图像看出温度电压为20.65mV,查看对应的铂电阻电压温度曲线知Tc约为 78K。理论上降温与升温曲线应该基本重合，上图出入较大，原因可能为材料具有铁磁性，发生热滞现象，材料的温度变化跟不上温度的变化，也可能是实验仪器老化工作不稳定。三 实验总结将样品焊锡到探棒上遇到了失败，花了不少时间，主要是连接线比较集中，导线很细。此次实验，虽然在很大程度上借助于仪器电脑完成，但其原理始终不变。实验前要查找资料了解其原理，实验的设计方案。只有充分掌握了其工作原理，才能顺利地完成每一实验步骤。尤其是当遇到教材给出的以外问题时，要懂得分析处理。四 注意事项 操作过程中不要用手直接接触样品表面以免沾污样品表面。 灌倒液氮时要小心，不要泼在身体上否则冻伤皮肤。 超导样品宜长期接触水汽使结构破坏、成分分解，导致超导性能丧失。故做完实验后宜从低温处取出，用热吹风烘干表面潮气，置于有干燥剂的密封容器中保存，待实验时再取出。 思考题: 1、为什么采用四引线法可避免引线电阻和接触电阻的影响？ 答：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”，测量引线通常是又长又细，其阻值有可能远远超过待测样品的阻值。如下图，当测量电压为超导材料内侧时候，虽然测得不是整个电阻，但其电阻率始终不变。 I+ V+ V- I- 2、Pt100电阻温度计的主要测温原理？ 答：由于铂电阻温度计的电流是恒定的（1mA）,故只需要测量铂电阻两端的电压便能知道其电阻，即电流恒定电压随电阻的变化而变化，于是得到一系列阻值。然后通过查表找到某一温度电压下的温度值。 3.什么是超导材料，超导材料的转变温度是指什么？ 答：具有在一定低温条件下呈现电阻等于零以及排斥磁力线性质的材料。转变温度是指电阻由正常态变为零电阻时