近代物理实验报告—高温超导材料的特性与表征

现代物理实验报告-高温超导材料的特性和表征【摘要】本实验主要通过YBaCuO高温超导材料的特性测量，了解超导体的两个基本特性：导电性和完全磁阻。本实验利用液氮冷却高温超导材料YBaCuO，用铂电阻温度计测量温度，用电压表测量超导体电阻，得出超导体电阻温度曲线，该样品的超导转变温度为93.75K用测量；然后通过超导磁悬浮实验，实验了高温超导材料的磁特性，分别得到了零场冷却，场冷却下超导体的磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。【关键词】高温超导、液氮、铂电阻、梅斯纳效应、磁悬浮一、引言安纳斯首次发现了1911年4.2K汞的电阻突然消失的超导性。1933年，迈兹纳发现超导体内部的磁场保持不变，为零。950，弗里德里希首先提出了超导微观机制的重要线索。他认为电子晶格振动之间的相互作用是电子相互吸引时超导的原因。1957年，badim、Cooper和shrip共同提出了超导电性的微观理论，即BCS理论。1972年，他们三人共同获得了诺贝尔物理学奖。自发现超导以来，为了想办法提高超导的应变临界温度，正在做很多努力。几十年来，物理学家发现，除了汞、锡、铅以外，铟、铊、镓还有超导特性，后来还发现铌、钛、钍等金属有超导特性。世界上很多物理学家都在研究其他种类的超导体，例如有机超导体、低电子密度超导体、超晶超导体、无定形超导体等，其中金属氧化物超导体吸引了很多人的注意。随着高温超导材料的发现，超导的应用也在扩大。例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机等。本实验通过测量和演示氧化物高温超导材料的特性，深化了超导体的两个基本特性。了解金属和半导体随温度的电阻和温差电效应、超导磁悬浮原理和液氮低温技术。二、实验原理1、超导现象和临界参数(1)零电阻现象1911年，卡美林发现，当温度低于液氮的正常沸点时，水银线的电阻突然下降到0。就是零电阻现象。这个具有超导性的物理叫超导体，超导体只有在直流电的情况下才会有零电阻现象。理论上，超导临界温度的定义是，当电流、电场和其他外部条件保持威力和不影响转换温度测量的低值时，超导体显示超导体状态的最高温度。用电阻法测量临界温度时，一般来说，冷却过程中电阻温度曲线开始偏离直线的温度为起始过渡温度Tc，onset，临界温度Tc测试的样品电阻从起始过渡下降到一半以下时的相应温度，或超导过渡的中点温度Tcm，电阻变化的10%-90%的温度间隔为过渡宽度，电阻刚刚完全下降到0的温度为完全过渡温度，即0超导体的电阻过渡曲线如图1所示。图1，超导体的电阻转换曲线(2) messner效果1933年，迈斯纳等人对超导体圆柱Pb和Sn进行了垂直轴向外通量密度分布的测量，测量了超导体圆柱外磁通量密度分布，发现了惊人的现象。超导体内部的磁感应强度总是等于0，不管磁场的添加顺序如何。超导体从外磁场冷却到超导状态并没有内部磁场。如图2所示，称为斜接效果。图2超导体磁图(3)临界磁场一旦把磁场添加到超导体上，一定量的磁场能量就会产生阻止电流的磁场，抵消超导体的内部磁场。磁场达到一定值后，使样品恢复正常状态，使磁场穿透，即破坏超导性，在能源方面更有利。在典型超导体的情况下，在以下情况下，有一个实验性管接头，其临界磁场随温度下降而增大，与t的关系符合抛物线近似关系(1)这种超导体称为第一型超导体，如图3所示。0TCtHCHc(0)超导状态正常状态图3类I超导体的临界磁场随温度变化。Hc1混合状态如图4所示，在超导体的情况下，两个临界磁场在超导状态和稳态之间存在混合状态。为了观察超导磁悬浮现象而实验的超导体是第二超导体。0TCHCHc2超导状态正常状态图4 超导体的临界磁场随温度变化。(4)临界电流密度实验结果表明，当电流通过超导体时，不受干扰的超流动状态受电流大小的限制。电流达到一定阈值IC时，超导体会恢复正常状态。对大多数超导金属来说，恢复正常状态是突变。我们将此电流值称为临界电流IC，其电流密度称为临界电流密度JC。对于超导合金、化合物和高温超导体，电阻的恢复不是突变，而是随着电流的增加而渐变到正常电阻R0。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的电阻由晶体的电子被晶格本身和各种缺陷引起的热振动分散，实际材料中敦促的杂质和缺陷也可以破坏周期势场，从而引起电子散射。总阻力可以表示为：(2)其中表示晶格热振动的电子散射引起的阻力，相对于温度，电阻与温度的关系决定晶格振动散射。根据金属带理论，高温地区与t成正比。在低温地区，与当时成正比，其中德拜温度。杂质和缺陷引起的电子散射的阻力与温度无关，与杂质和缺陷的密度成正比，称为残留电阻率。因此，杂质和缺陷只改变金属电阻率数值，不改变电阻率的温度系数。金属电阻率中严重依赖温度的存在，因此金属可以用作温度计的温度测量元件。铂电阻温度关系如图5所示，从液氮的正常沸点到室温温度范围，铂电阻和温度的线性关系良好。图5铂电阻温度关系(2)半导体材料的电阻温度特性对于半导体材料，电流子由于杂质电离和固有激发，载流量浓度随温度变化而变得更复杂。固有半导体的电阻率(3)电阻率由载波浓度和迁移率确定。但是，随着载流量浓度升高，指数上升，移动速度提高，速度减慢，固有半导体的电阻率随温度的增加而单调下降，具有负温度系数。对于杂质半导体，载体有杂志电离和固有激发生成，并有电离杂质散射和谐波散射两种机制，因此温度关系更复杂，一般可以理解为在极低的温度下自由载体，电导为“杂质水平电导”，电阻随温度的增加而迅速减少。在低温下，可以忽略此特征刺激。载流量主要由杂质电离引起，浓度随温度上升而上升，移动速度随温度上升而增加，温度系数为负。温度再高的饱和区，固有激发不明显，杂质完全电离，载流子浓度不再变化，被声子散射，温度系数为正；载流量主要是下一个可能发生的固有区域，随着温度的增加，浓度迅速增加，温度系数变为负值。半导体锗电阻温度关系如图6所示。图6半导体锗电阻温度关系半导体在一定温度范围内具有负电阻温度系数，因此根据半导体的低温区域电阻温度关系，半导体可以制造温度计的温度测量元件。半导体在一定的温度范围内具有负电阻温度系数，根据半导体低温区电阻温度关系，用半导体材料制成的温度计，可以弥补低温区金属温度计电阻值和灵敏度下降的缺陷。在图7中，硅和砷化镓二极管PN结的正向电压随着温度的降低在相当大的温度范围内具有良好的线性关系和高灵敏度。图7二极管PN结的正向电压和温度关系三、实验内容1、实验装置(1)低温温度获取和控制主要包括低温恒温器和不锈钢杜瓦容器。(2)电气测量部分主要包括BW2高温超导材料特性测试装置和PZ158直流数字电压表；(3)高温超导体磁悬浮演示装置2、实验阶段：(1)低温温控器和杜瓦容器的结构旨在从液氮的正常沸点77.4k获取常温范围内的任意温度，如图8所示。低温恒温器的核心部件是装有超导样品和铂电阻温度计硅二极管温度计钢铜温差电偶和25 锰铜加热器线圈的铜恒温器。液氮装在具有真空夹层的不锈钢杜瓦容器中。本实验的主要工作是测量超导转变曲线，在液氮的正常沸点附近的温度范围内校准温度计。温度控制程序在高温下低温，液氮的温度为77.4K，装在杜瓦瓶中，利用液面以上空间中存在的温度梯度，可以轻松获得所需的温度。样品温度和冷却速度控制可以通过在测量过程中改变dew容器中低温温度调节器的位置来实现，如果冷却速度足够慢，则可以认为是在每分钟温度的动态平衡。在所需范围内，安装了可调节的定点水平指示器，使液氮表面精确地保持在铜缸底部和下挡板之间距离的一半。为了确保温度计和超导样品的温度一致性，将铂电阻温度计硅二极管和温差galbani的温度测量团插入铜恒温器块的小孔中，将温差galbani的基准端从低温恒温器底部的小孔中伸出，在整个实验过程中浸入液氮中。图8低温恒温器和杜瓦容器结构(2) 4铅测量方法电阻测量的原理电路如图9所示。测量电流来自恒流源，其大小可以测量标准电阻Rn的电压Un。如果测量的样品的电压Ux已测量，则正在测试的样品的电阻Rx为Rx=UxUnRn图9 4铅头发测量电阻低温物理实验装置的原理之一是要尽量减少室温泄漏，因此测量引线微小、长，远远高于超导样品电阻值。为了减少铅和接触电阻对测量的影响，通常使用4铅测定法。基本原理是，恒流源通过两个电流引线给正在测量的样品提供测量电流I，数字电压表通过两个电压引线在样品中形成电流I的电位差u .两个电压引线和样品触点位于两个电流引线针脚之间，因此，排除了电流引线和样品之间的接触电阻对测量的影响，可以忽略数字电压表输入阻抗高、电压引线电阻和与样品的接触电阻对测量的影响。此外，在低温物理实验中，即使电路中没有来自外力的电动势，只要材料的不均匀性和温差存在，就存在称为谐振腔功率或寄生电动势的温差电动势，因此，超导电阻器确实添加了称为零的电流反转开关。四、实验结果和数据处理1、样品超导转变曲线的测量范例恒流源大小为I=9.9966mA，范例电压为50.012mV，标准电阻r=10在室温下，铂电阻温度计电压为100.00mV，电阻为100。样品电压反映了室温状态下样品的电阻值。表1显示了冷却过程中白金温度计的数据。仪器使用指南指定铂电压u和温度T的关系为T=au b。其中a=2.3643，b=29.315。表1超导转变曲线的测量铂电压U(mV)温度T(K)电压U(mV)样例样品电阻r ()铂电压U(mV)温度T(K)电压U(mV)样例样品电阻r ()106.69281.560.0303.0045.00135.710.0161.60106.34280.730.0292.9042.50129.800.0151.50104.63276.690.0292.9041.50127.430.0151.50102.51271.680.0282.8040.50125.070.0151.50100.00265.750.0282.8039.50122.700.0151.5097.50259.830.0272.7038.50120.340.0151.5095.01253.950.0262.6037.50117.980.0141.4092.50248.010.0262.6036.50115.610.0141.4090.01242.130.0262.6035.50113.250.0141.4087.50236.190.0252.5034.50110.880.0141.4085.00230.280.0252.5033.50108.520.0131.3082.50224.370.0242.4032.50106.150.0131.3080.00218.460.0242.4031.50103.790.0131.3077.50212.550.0232.3030.50101.430.0121.2075.00206.640.0222.2029.5099.060.0111.1072.50200.730.0222.2028.5096.700.0101.0070.00194.820.0222.2027.5094.330.0101.0067.50188.910.0212.1027.0093.150.0090.9065.00182.990.0212.1026.0090.790.0010.1062.50177.080.0202.0025.0088.420.0000.0060.00171.170.0202.0024.0086.060.0000.0057.50165.260.0191.9023.0083.690.0000.0055.00159.350.0191.9022.0081.330.0000.0052.50153.440.0181.8021.0078.970.0000.0050.00147.5