高温超导实验

高温超导摘要本实验利用钳温度计对温度标定，研究了高温超导体的电阻转变曲线，分别测得Tc,°nse讦102.36K,Tc=92.507K,Tc0=91.645Ko通过对比钳、硅二极管、温差电偶的电阻转变曲线，可得在液氮正常沸点到室温温度范闱内，电阻随温度的变化均呈良好线性。其中钳和温差电偶的电阻率随温度的降低而降低，硅二极管电阻率随温度的降低而升高。分别观测并测量了场冷和零场冷条件卜•的磁悬浮现彖和磁悬浮力，由于俘获磁通的影响使现彖不同。关键词高温超导磁悬浮场冷零场冷1、引言1911年荷兰物理学家H.K.Onnes发现了低温超导体，拉开了关于超导研究的序幕。研究过程可分为以卞三个阶段：19U年到1957年BCS超导微观理论问世，其核心是提出了库伯电子对概念作为产生超导电性的基础：1958年到1985年，强磁场超导材料的研制成功和约瑟夫森效应的发现，使超导技术在强场、超导电子学以及某些物理量的精密测量等实际应用中得到迅速发展；自1986年发现超导转变温度高于30K的超导材料后，各国科学家相继取得了突破性的进展。这些转变温度高于液氮温度的氧化物超导体又称为高温超导体。通过对超导体电阻转变曲线的测量和磁悬浮现象的演示及测量，了解高温超导的原理和磁悬浮的原理。2、原理2.1超导现象、临界参数及实用超导体2.1.1零电阻现象当温度处于某一值时，样品电阻突然跌落到零的现彖即为零电阻现象或超导电现彖。但只有在直流的情况下才有零电阻现彖。超导临界温度的定义为，当电流、磁场及其他外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度。在用电阻法测量临界温度的实验中，如图所示通常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Teaset。临界温度Tc为待测样品电阻从起始转变处卞降到一半时对应的温度，也称为超导转变的中点温度Tem。转变宽度△乙定义为电阻变化10%到90%所对应的温度间隔。Teo即零电阻温度定义为电阻刚刚完全降到零的温度。其中ATc的人小可反映材料品质的好坏。2.1.2MEISSNER效应MEISSNER效应指的是不管加磁场的次序如何，超导体内磁感应强度总等于零。即使超导体在外磁场中冷却到超导态，也永远没冇内部磁场。2.1.3临界磁场把磁场加到超导体上之后，一定数量的磁场能屋用来屏蔽电流的磁场以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到某一值时，它在能量上更利于样品返回正常态，既破坏了超导电性，通常我们把p=穿对应的磁场成为临界磁场。对于一般超导体，如图所示图2第I类超导体临界磁场随温度的变化在「以下，临界磁场HdT）随温度卞降而增加。这种超导体称为第I类超导体。对于第II类超导体，如图所示图3第I【类超导体临界磁场随温度的变化当H>HC1时，磁场开始进入超导体中，但体系仍有无阻的能力，He称为下临界磁场。当H>Hc2,磁场进入超导体越来越多，超导态逐渐转化为正常态,Hc2称为上临界磁场。HC1<H<屁2区域的状态为混合态。高温超导体为第II类超导体。2.1.4临界电流密度当超导体通以电流时，无阻的超流态受到电流人小的限制，当电流达到某一临界值lc后，超导体恢复到正常态。这个电流值为临界电流，相应电流密度为临界电流密度。临界温度Tc，临界电流密度Jc和临界磁场He是超导体的三个临界参数。只要任何一个条件被破坏，超导体都会被破坏。2.1.5实用超导体一非理想的第II类超导体只有体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为才完全可逆，称为理想第II类超导体，反之，则为非理想第II类超导体。磁通俘获和不可逆磁化对于非理想第I【类超导体，当外磁场升到He】时，磁通线会进入到人块超导体中，通常当磁场去掉后，物质还残留一个俘获磁通。高温超导本质上就是非理想第I【类超导体，这意味着超导体是不均匀的，必然存在钉扎效应。外磁场从零开始增加，当HvHci时，超导体处在MEISSNER态：当H>HC1时，磁场以磁通量子形式进入超导体，缺陷阻碍磁通线的进入；同理，当H从H>WC1时开始下降时，由于磁通线受到阻力，不容易排出，因此俘获了部分磁通。钉扎力和钉扎效应非理想第I【类超导体中俘获磁通是稳定的，说明涡旋线除了彼此之间的电磁力之外还存在另一种力，克服洛仑兹力，使涡旋线保持稳定。这个阻碍磁通线运动的力来自缺陷，这个力称为钉扎力，缺陷叫做钉扎中心。2.2电阻温度特性2.2.1纯金属材料的电阻温度特性纯金属晶体的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射,实际材料中存在的杂质和缺陷也将破坏周期性势场，引起电子的散射。钳金属与温度的关系在液氮正常沸点（77.4K）到室温温度范M（288.16K）内，具有良好线性。钳电阻温度计是符合13.8-630.74K温度范闱的国际实用基准温度计。2.2.2半导体材料的电阻温度特性本征半导体的电阻率Q为Pi=—7-^x（1）nie[fie^p）其中心为载流子浓度，（/+“p）为迁移率。本征半导体的电阻率随温度上升而单调下降，这是半导体有别于金属的一个重要特征。在恒定电流卜，硅和神化稼二极管的正向电压随温度的降低而升高，如图4所示(A)(A)图4二极管PN结的正向电压温度关系由图可知，在相当宽的温度范I韦I内（包括液氮正常沸点到室温温度范闱），具有较好的线性关系和较高的灵敏度。2.2.2温差电偶的电阻温度特性温差电偶测量温度的基本原理是温差效应。通常将一端（参考端）保持在一定的恒定温度，另一端（测量端）放于被测物体周围。在温差不太大的情况卞，近似为：E=a（t-t0）（2）a为温差系数，表示温差为2°C时的电动势，其人小取决于组成热电偶的材料；tO是参考端的温度，t是测屋端的温度，可见温差电动势与测屋端温度的关系在温差不太人的情况卞是符合线性的。

2.3实验装置原理2.3.1低温恒温器和不锈钢杜瓦容器结构如图5所示图5低温恒温器和杜瓦容器结构示意图（左）装置图（右）装置目的是得到从液氮的正常沸点77.4K到室温温度范【韦I内的任意温度。样品温度及降温速率的控制是靠在测量过程中改变低温恒温器在杜瓦容器内的位置来实现的。实验中用可调式定点液面指示计来使液氮面维持在紫铜圆筒底和卜•档板之间距离的2/2处。其中钳电阻温度计、硅二极管和温差点偶的测温端放在有样品的紫铜恒温块中，温差点偶的参考端浸没在液氮内。2・3・2四引线测量法为减小引线和接触电阻对测量的影响，每个电阻都采用四根引线，两根为电流引线，两根为电压引线。由于电压引线与样品的接点处在两根电流引线的接点之间，因此排除了电流引线与样品间接触电阻对测量的影响；又由于数字电压表输入阻抗很高，电压引线的引线电阻和与样品之间的接触电阻对测量的影响可忽略。待测样品的电阻&为心=釈⑶3、实验3.1超导转变曲线的测童首先对电源盒中钳和硅二极管的标准电压进行校准，分别为lOO.OOmV和l.OOOOVo把液氮灌注在杜瓦容器内，注意液面高度的位置。待液面较稳定后，调整恒温器在杜瓦容器内的位置，关注液面计的电压值，当电压值为0时，液氮表面刚好位于液面计热电偶上节点的上方。测量过程中记录钳、硅二极管、温差电偶、超导样品的电压值并通过计算得到钳的电阻值，记卜•对应的该时刻温度值。根据降温过程的快慢可调节恒温器的位置以获得适合的速度。过程中由于液氮的消耗，液面会不断下降，因此需要经常查看液面计的示数，改变恒温器的位置使示数为0。同时也需要查看铀和硅二极管的标准电压值，并及时调整。当超导样品电压为0时，需将电流反向，若正、反向电压均为0,则可确定到达0电阻态。3.2高温超导磁悬浮演示将超导样品放入液氮中，待液面稳定（町认为样品此时到达超导态）用强磁铁靠近样品，观察现彖；将样品和磁铁用一张塑料薄纸隔开，再加入液氮，抽出薄纸，观察此时现彖。3.3高温超导磁悬浮力测量首先对力（磁铁与样品无作用力）和距离（磁铁与样品最近处）定义零点。在无外磁场的条件下，将样品放入液氮中，待液面稳定后，改变磁铁与样品距离，得出零场冷下的测屋曲线；再在磁铁靠近样品最近时，加入液氮，待液面稳定后，改变磁铁与样品距离，得出场冷卞的测量曲线。4、数据处理与实验结果分析4.1超导体的电阻转变曲线根据记录的数据（温度、钳电压、硅二极管电压、温差电动势、超导样品电压），可分别作出以下电压随温度变化的曲线，而由公式（3）可知，待测元件上的电压与对应的元件的电阻值是成正比的，因此町以通过电压随温度的变化，反映电阻随温度的变化。馆两端电压随温度的变化曲线如图7所示050100150200250300T/K图7钳两端电压随温度的变化曲线由图可见，实验测量中，在液氮正常沸点到室温温度范圉内，钳电阻与温度具有良好的线性关系，这与实际是相符合的。通过记录室温下的钳两端电压和标准电阻的电流，可算出室温卞钳电阻的值为108.030,电阻率随温度的卞降而减小。硅二极管两端电压随温度的变化曲线如图8所示图8硅二极管两端电压随温度的变化曲线由图可见，实验测量中，在液氮正常沸点到室温温度范闱内，硅二极管电阻与温度具有良好的线性关系，这与理论曲线是相符合的。通过记录室温下的硅二极管两端电压和标准电阻的电流，可算岀室温下硅二极管电阻的值为5.116KQ,电阻率随温度的卜•降而増犬。需要指出的是，在温度降低到一定程度时，由于导线热胀冷缩，使得硅二极管断路，无法记录之后的数据，但线性关系还是很明显的。温差电动势随温度的变化曲线如图9所示

由图町见，实验测量中，在液氮正常沸点到室温温度范圉内，温差电动势与温度同样具有良好的线性关系，这与公式（2）所描绘的线性关系是相符合的。可以看出，温差电动势随温度的变化关系没有前两种元件的线性关系好，原因在于实验中记录数据时,由于测屋温差电偶与超导样品的电压表是同一个，导致测值时会有换挡的时间延迟，以致数据有一定的误差，另外，温差电动势与温度理论上也并不是呈严格线性关系，只是在一定温度范闱内，近似为线性关系。但总体而言，温差电动势随温度呈线性变化的关系还是很明显的。由上面的数据处理可知，钳、硅二极管、温差电偶在液氮正常沸点到室温温度范闱内，电阻与温度都具有良好的线性关系，即三者都可以作为低温温度计进行使用，测温效果基本是相同的。超导样品两端电压随温度的变化曲线如图10所示图10超导样品电压随温度的变化曲线由上所述，超导样品两端的电压与超导样品的电阻成正比，即其电压随温度的变化关系就是电阻随温度的变化关系。由图可见，实验测量中，在液氮正常沸点到室温温度范I判内，超导体电阻随温度的变化曲线，与理论曲线是相符的。从图中可以读出超导样品的三个温度参数。TCionset=10136K,Tc=92.507K,Tc0=91.645Ka图中町看到冇一些较小的波动，那是由于在实验中通过不断换挡测量温差电动势和超导样品电压值时所引起的误差。另外实验过程中超导样品最多只能降低到0.001V,之后观察半个小时都没有任何变化，可以判断，此时已经降到0V,只是由于仪器等原因没有显。4.2高温超导磁悬浮演示先使样品进入超导态再用强磁铁作用，可发现此时两者有很强的排斥作用。其原因是当样品进入超导态后，内部磁通为0,当磁铁靠近（即磁场增大）时，会产生感应电流，阻碍磁感线的进入，因此两者产生排斥作用。先让样品和磁铁靠近，再让样品进入超导态，当抽出塑料纸后，可看到磁悬浮现彖。其原因可用能量最低原理解释。最开始两者靠近时，其能量最低，而当进入超导态后,为保证能量仍然最低，便会维持之前的状态，改变磁铁的位置，它仍会回到原來的位置。此时的排斥力抵消磁铁的重力。当将处于超导态的样品恢复到正常态时，在用磁铁去靠近，会发现两者之间有吸引力。原因是，样品为非理想第I【类超导体。因而当磁场去掉后，样品中还残留俘获磁通。4.3离温超导磁悬浮力测量零场冷条件卜•，测得的力与距离的曲线如图□所示图11零场冷条件卞磁悬浮力与距离的关系曲线其中上方的曲线为磁铁与样品距离靠近时的曲线，下方曲线为磁铁与样品距离远离时的曲线。根据演示实验，零场冷时，两者之间产生排斥作用。当距离较远时，超过作用力范闱，因而无作用力，随着距离越来越小，斥力越来越明显。当磁铁从最近处远离样品时，由于样品处于混合态，因此磁通线排出时会受到阻力，即表现为两者吸引，随着距离的不断增人，吸引力也不断增人，但当超过力的作用范围时，吸引力不断减小,最后为0。场冷条件下，测得的力与距离的曲线如图12所示图12场冷条件下磁悬浮力与距离的关系曲线其中上方的曲线为磁铁与样品距离靠近时的曲线，下方曲线为磁铁与样品距离远离时的曲线。根据演示实验，场冷时，会出现磁悬浮现彖。当磁铁从最近处远离样品时，由于样品处于混合态，因此磁通线排出时会受到阻力，即表现为两者吸引，随着距离的不断增大，吸引力也不断增人，但当超过力的作用范闱时，吸引力不断减小，最后为0。此时，样品内是有俘获磁通的，因而，当两者距离减小时（在力的作用范鬧内）会体现出吸引的作用，而当距离进一步减小，为保证内部磁通为0,此时磁通线会受到进入的阻力，因而体现排斥作用，随距离的不断增人而增人。5、结论实验中我们对比了钳、硅二极管、温差电偶的电阻随温