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1、高温超导材料的特性与表征摘 要 本实验中我们通过控制超导样品距离液氮面的距离达到控制温度的效果，测量高温超导材料两端电压得到高温超导材料的转变曲线，以及硅二极管的正向电压和温差电偶的温差电动势随温度的变化曲线。高温超导体的磁悬浮演示，以及零场冷和冷场情况的比较进一步加深了对钉扎力和磁通俘获的效应的理解。关键词 高温超导，超导磁悬浮，转变曲线引 言 从 1911 年荷兰物理学家卡墨林翁纳斯发现低温超导体到现在，超导科技发展大体经历三个阶段。基本探索认识阶段， ，开展超导技术应用的准本阶段，自 1986 年发现超导转变温度高于 30K 的超导材料后，人类逐渐转入超导技术的开发时代，此后发现了大量高
2、温超导体，转变温度不断提高。讲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。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。本实验中我们通过对氧化物高温超导材料超导转变曲线的测量和磁悬浮演示，加深理解了超导体的零电阻现象和 MEISSNER 效应这两大重要特征。同时了解超导磁悬浮原理，金属和半导体电阻随温度的变化，温差电效应以及低温物理实验的基本方法和技巧。原 理 1） 超导现象：电阻突然跌落为零，或称零电阻现象，并将具有此种超导电是的物体称作超导体（只有爱直流电情况下才有零电阻现象）Tc（超导临界温度）：即当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响转变温度测量
3、的足够低值是超导体呈现超导态的最高温度。Tc，onest（起始转变温度）：降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度。Tc（转变宽度）：电阻变化 10%到 90%所对应的温度间隔。Tc0(零电阻温度)：电阻刚刚完全降到零是的温度。1） MEISSNER 效应：超导体在磁场中产生感应电流，且超导体电阻为零，感应电流一直存在，产生与周围磁场相反的“屏蔽磁场” ，顾超导体内磁感应强度总是零，且与家磁场的先后顺序无关。2） 临 界磁场 Hc：当磁场达到某一定值是，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许磁场穿透，破坏超导电性。本实验研究的高温超导体属于第二类超导体，存在下临界磁场 Hc1，混合态 H
4、 和上临界磁场 Hc2.而第一类超导体只有一个临界磁场，并且没有混合态。3） 临界电流密度：当电流达到某一临界值 Ic 后，超导体将恢复到正常态，我们称这个电流值为临界电流，随温度的升高而减小。4） 钉扎力和钉扎中心：只有体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为才呈现完全可逆，称为理想第二类超导体，反之叫做非理想第二类超导体或硬超导体。非理想的第二类超导体存在缺陷，当 HHc1 时缺陷阻止磁场进入，当车去磁场是，缺陷也将阻止磁场离开超导体，因此形成了磁通俘获。非理想的第二类超导体中俘获磁通是稳定的，说明其中的涡旋线存在一种力，克服洛伦兹力，使涡旋线保持稳定（当外磁场为零时把这种力叫做钉
5、扎力，缺陷叫做钉扎中心） 。5） 纯金属材料的电阻温度特性：纯金属晶体的电阻是由晶体的电子被晶格和晶格中的缺陷的热振动散射引起的。杂质和缺陷不影响电阻的变化率。半导体电阻随温度的变化率小于零，这是半导体有别于金属的一个重要特征。实 验 1） 仪器和实验方法： 低温恒温器和不锈钢杜瓦容器，用于低温温度的获得和控制，控温程序是从高温到低温，液氮温度为 77.4k。装在杜瓦瓶中，方法是利用液面以上空间存在的温度梯度来获得所需的温度，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。只要降温速率足够慢，就可以认为在每一时刻都达到了温度的动态平衡。 电测量设备:BW2 型高
6、温超导材料特性测试装置，灵敏度为 1 微伏的 PZ158 型直流数字电压表。i. 四引线测量法：恒流源通过两根电流引线将测量电流提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线来测量电流在样品上所形成的电势差，由于两根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之间的接触电阻对测量的影响，又由于数字电压表的输入阻抗很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。ii. 超导样品测量电路：即使电路中没有来自外来电源的电动势，只要材料存在不均匀性和温差，就有温差电动势存在，通常称为乱真电动势或寄生电动势。为了消除直流测量电路中固有的乱真电动
7、势的影响，我们在采用四引线测量法的基础上还增设了电流反向开关，用以进一步确定超导体的电阻确已为零。2） 实验内容：1. 室温测量：打开直流数字电压表，电源盒，铂电阻，硅二极管和超导样品的开关，电压表量程设为 200mV。（1） 调节工作电流，测量记录电流和相应的电压。（2） 转换开关换至“温差电偶”和“液面计” ，观察电压表的示值2. 液氮的灌注：首先检查和清理杜瓦容器，然后将输液管的一段插入贮存液氮的杜瓦容器中并拧紧固定螺母，并将输液管的另一端插入实验用不锈钢杜瓦容器中，然后关闭贮存杜瓦容器上的通大气的阀门，使液面位置距离瓶口 30cm。3. 低温温度计的比对：利用铂电阻的低温稳定的特点，以
8、温度为横坐标，测硅二极管的正向电压值和温差电偶的温差电动势，作为纵坐标，画出它们随温度变化的曲线。4. 在低温温度计比对的同时，观察和记录超导样品两端电压示数。5. 高温超导体的磁悬浮力测量（1） 压力位移曲线测试 （2）压力时间曲线测试数据处理和实验结果分析 1. 原始数据处理铂电阻两端电压（mV）铂电阻温度（K）硅二极管正向电压（V）温差电偶温差电动势（mV）超导样品两端电压（mV）超导样品电阻（）90 242.212 0.5035 3.515 0.427 0.0085488.5 238.6636 0.5054 3.444 0.42 0.008486.29 233.4356 0.5155
9、3.236 0.413 0.0082685.75 232.1582 0.5173 3.213 0.411 0.0082283.87 227.7109 0.5267 3.069 0.405 0.008181.9 223.0506 0.5329 2.892 0.399 0.0079879.65 217.728 0.5439 2.715 0.391 0.0078277.7 213.1151 0.5493 2.512 0.386 0.0077275.72 208.4312 0.5564 2.389 0.38 0.007670 194.9 0.566 2.095 0.361 0.0072267.5 18
10、8.986 0.576 1.978 0.352 0.0070465 183.072 0.586 1.817 0.344 0.0068862.5 177.158 0.5942 1.637 0.336 0.0067260 171.244 0.6054 1.447 0.327 0.0065457.5 165.33 0.6124 1.291 0.319 0.0063855 159.416 0.63 1.162 0.31 0.006252.5 153.502 0.6393 1.072 0.302 0.0060450 147.588 0.6507 0.994 0.293 0.0058647.5 141.6
11、74 0.6575 0.915 0.285 0.005745 135.76 0.6665 0.869 0.275 0.005542.5 129.846 0.679 0.798 0.264 0.0052841.5 127.4804 0.6803 0.78 0.261 0.0052240.5 125.1148 0.6825 0.768 0.257 0.0051439.5 122.7492 0.6854 0.717 0.254 0.0050838.5 120.3836 0.6879 0.68 0.25 0.00537.5 118.018 0.6931 0.635 0.245 0.004936.5 1
12、15.6524 0.6995 0.587 0.241 0.0048235.5 113.2868 0.6991 0.546 0.236 0.0047234.5 110.9212 0.6999 0.504 0.231 0.0046233.5 108.5556 0.6982 0.461 0.226 0.0045232.5 106.19 0.6995 0.418 0.221 0.0044231.5 103.8244 0.7019 0.376 0.215 0.004330.5 101.4588 0.7038 0.339 0.21 0.004229.5 99.0932 0.7091 0.204 0.004
13、0828.5 96.7276 0.194 0.0038827.5 94.362 0.152 0.0030426.5 91.9964 0.111 0.0022226.2 91.28672 0.008 0.0001626 90.8136 0.001 0.0000225.5 89.6308 0.0005 0.0000123 83.7168 0 022.5 82.534 0 01）由铂电阻温度和超导样品两端电压绘制出超导转变曲线，如图一所示：图一 超导转变曲线由图一可知，起始转变温度 Tc，onest 约为 101.4588K，零电阻温度 Tc0 约为 91.28672K。3） 由铂电阻温度和硅二极管
14、正向电压，绘制出硅二极管正向电压温度曲线，如图二所示：图二 硅二极管正向电压温度曲线由此可见，硅二极管的电阻随温度的升高而线性减小，回归方程为 y = -0.0015x + 0.8651 ，R 2=0.9988 。3）由铂电阻温度和温差电偶温差电动势，绘制出温差电偶温差电动势温度曲线，如图三所示：图三 温差电偶温差电动势温度曲线可见，温差电阻的温差电动势随温度的升高而线形增大，回归方程为：y = 0.0218x - 2.031 ，R 2=0.9861 。在超导样品电压趋近与零时，反向电压与正向电压一致，说明排除了乱真电动势。2. 实验结果与分析：1）压力位移曲线测试零场冷实验，压力位移曲线如图
15、四所示：图四 零场冷压力位移曲线场冷实验，压力位移曲线如图五所示：上行 图五 场冷压力位移曲线零场冷实验即在没有磁场的情况下使样品达到超导态，当磁体下行时，样品中感应电流产生磁场，对磁体的排斥力随磁体的靠近而增大，当磁体上行时，斥力逐渐减小到零并转变为引力。而场冷实验是在已经有磁场的情况下使样品达到超导态，由图五所示，不论上行还是下行过程，都有一段表现为吸引力。两次实验的不同是由于先有磁场的情况下，当磁体离开后超导体中还存留了一个俘获磁通，所以当磁体再次下行时，残留的俘获磁通与磁体的磁场吸引，因此图五中下行曲线才有呈现引力的部分。2） 压力时间曲线测试a.零场冷实验，压力时间曲线如图六所示，压
16、力随时间逐渐减小，原因如下：1.覆盖在超导体表面的液氮面下降， ，导致压力减小。2.磁场逐渐进入样品中，使得感生磁场变弱，使得斥力减小。下行上行下行b.场冷实验，压力时间曲线如图七所示，从总体趋势上看，猜想引力不随温度改变。引力变大的原因可能是液氮面下降导致超导体表面压力下降，于是大胆地加入一些液氮，果然引力又下降了，从而证实了猜想。比较：零场冷实验中，磁场逐渐进入样品中。而场冷实验中，磁场从一开始就已经在样品中了，没有逐渐变化的过程。图六 零场冷压力时间曲线图七 场冷压力时间曲线3） 磁悬浮演示实验：浮起的磁铁无法上下移动，可以在固定的高度旋转，也可以翻转过来，是由于钉扎力的作用。结 论 通过实验绘制出了超导转变曲线，硅二极管的正向电压和温差电偶的温差电动势随温度的变化曲线。完成了高温超导体的磁悬浮演示，以及零场冷和冷场情况的比较，与阅读的文献结果基本一致。参考文献 H.K.Onnes
