高溫超導實驗報告

高溫超導學號：姓名：實驗日期：指導教師：【摘要】本實驗主要研究了高溫超導體的零電阻現(xiàn)象及邁斯納效應。測量了高溫超導體的超導轉變曲線，得到其起始轉變溫度TC,onset為99.82K，臨界溫度TC為92.99K，零電阻溫度TC0為91.76K，轉變寬度?TC為3.78K。對比了鉑金屬關鍵詞：高溫超導體零點阻現(xiàn)象邁斯納效應磁通俘獲磁懸浮引言：1911年荷蘭物理學家卡墨林·翁納斯發(fā)現(xiàn)了低溫超導體，自此以后科學家對超導電性理論和超導技術以及超導材料進行了大量的研究。超導科技發(fā)展大體分為三個階段。第一階段（1911年——1957年）是人類對超導電性的基本探索和認識階段，BSC超導微觀理論問世。第二階段（1958年——1985年）屬于開展超導技術應用的準備階段。第三階段（1986年——）是超導技術開發(fā)階段，自1986年發(fā)現(xiàn)超導轉變溫度高于30K的超導材料后開始。1986年6月，貝德諾和繆勒發(fā)現(xiàn)金屬氧化物Ba-La-Cu-O材料具有超導電性，其超導轉變溫度為35K，在13K達到零電阻。隨后世界各地的科學家們相繼取得了突破性的進展。超導研究領域的系列最新進展，為超導技術在各方面的應用開辟了十分廣闊的前景。超導電性的應用十分廣泛。本實驗通過對氧化物高溫超導材料特性的測量和演示，加深理解超導體的兩個基本特性；了解超導磁懸浮的原理；了解金屬和半導體的電阻隨溫度的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。實驗原理：同時具有完全導電性和完全抗磁性的物質稱為超導體，完全導電性和完全抗磁性是超導電性的兩個最基本性質。1.零電阻現(xiàn)象：把某種金屬或合金冷卻到某一特定溫度TC以下，其直流電阻突然降到零的現(xiàn)象。其中，TC叫做超導體的臨界溫度，是由物質本身的內部性質確定的、局域的內秉參量。物質的超導電性：低溫下發(fā)生的零電阻現(xiàn)象。超導體：具有超導電性的材料超導臨界溫度的定義：①理論上，當外部條件保持為零或不影響轉變溫度測量的足夠低值時，超導體呈現(xiàn)超導態(tài)的最高溫度。②實驗中，用電阻法測量臨界溫度時通常把TC定義為待測樣品電阻從起始轉變處下降到一半時對應的溫度，也稱作超導體轉變的中點溫度。TC,onset:起始轉變溫度，降溫過程中電阻溫度曲線開始從直線偏離處的溫度。TC0：完全轉變溫度（即零電阻溫度），電阻剛剛完全降到零時的溫度。?實驗中超導體的電阻轉變曲線：圖一超導體的電阻轉變曲線圖二超導體的磁性2.邁斯納效應：當把超導體置于外加磁場中時，磁通不能穿透超導體，而使體內的磁感應強度始終保持為零。不管加磁場的次序如何，超導體內磁場感應強度總是等于零。超導體的磁狀態(tài)是熱力學狀態(tài)，即在給定的條件下，它的狀態(tài)是唯一確定的。臨界磁場（HC）：對超導體施加磁場，當磁場達到某一值時，允許磁場穿透，超導電性被破壞。通常把ρ=根據(jù)兩類可區(qū)分的磁行為將超導體分為兩種超導體：①第Ⅰ類超導體，在TC以下，臨界磁場HC(T)隨溫度下降而增加。②第Ⅱ類超導體，分為理想第Ⅱ類超導體（磁化行為呈現(xiàn)完全可逆）和非理第Ⅱ類超導體，在超導態(tài)和正常態(tài)之間存在過渡的中間態(tài)，有兩個臨界磁場HC1（下臨界磁場）和圖三第Ⅱ類超導體狀態(tài)與外加磁場的關系臨界電流密度：當超導體通以電流時，無阻的超流態(tài)要受到電流大小的控制，當電流達到某一臨界值IC后，超導體恢復到正常態(tài)，IC稱為臨界電流，相應的電流密度為臨界電流密度JC與HC是相關的，外加磁場越強，臨界電流就越小。HC依賴于溫度，隨溫度升高而減小，并在轉變溫度T臨界溫度TC、臨界電流密度JC和臨界磁場3.磁通俘獲：對于第Ⅱ類超導體當外加磁場H升到高于HC1時，不存在完全的邁斯納效應，磁通線要進入到超導體中。撤掉磁場后，超導體仍保留一定的磁力效應，殘留一個俘獲磁通。4.釘扎力和釘扎中心：非理想第Ⅱ類超導體中俘獲磁通是穩(wěn)定的，這個阻礙磁通線運動的力來自缺陷，叫做釘扎力，缺陷叫做釘扎中心。5.電阻溫度特性：根據(jù)馬德森定則，金屬中總電阻率為：ρ=ρρLT表示晶格熱振動對電子散射引起的電阻率，與溫度有關；雜質和缺陷可以改變金屬電阻率的數(shù)值，但不改變電阻率的溫度系數(shù)。在液氮正常沸點（77.4K）到室溫溫度范圍內，鉑電阻與溫度具有良好的線性關系。實驗內容：實驗儀器：不銹鋼杜瓦容器，低溫恒溫器，BW2型高溫超導材料特性測試裝置，PZ158型直流數(shù)字電壓表，高溫超導磁懸浮演示裝置實驗裝置圖：圖四低溫恒溫器和杜瓦容器結構實驗方法：（1）用四引線測量法測量電阻，減小甚至排除了引線和接觸電阻對測量的影響。（2）在四引線法的基礎上增設了電流反向開關，消除測量電路中固有的亂真電動勢的影響。圖五四引線法測量電阻實驗步驟：1.室溫測量2.液氮的灌注3.低溫溫度計的對比4.超導轉變曲線的測量5.高溫超導體的磁懸浮演示6.高溫超導體的磁懸浮力測量實驗數(shù)據(jù)處理與實驗結果分析：1.室溫測量：鉑電阻U=107.87I=100.00Ma得到：R=107.87Ω硅二極管U=0.5113VI=100.00uA得到：R=5113Ω樣品:U=0.129mVI=10mA得到：R=0.0129Ω溫差電偶：U=0.065mV2.低溫溫度計的對比：根據(jù)實驗記錄的數(shù)據(jù)，由于鉑電阻溫度計已經(jīng)標定，性能穩(wěn)定，且具有較好的線性電阻溫度關系，故根據(jù)鉑電阻溫度計的電阻-溫度關系：T=aR+b,a=2.3643K由相應溫度下的鉑電阻溫度計的電阻值確定紫銅恒溫快的溫度，再以溫度為橫坐標，分別以所測得的硅二極管的正向電壓值和溫差電偶的溫差電動勢值為縱坐標，畫出它們隨溫度變化的曲線，如圖六、圖七所示圖六硅二極管的正向電壓值與溫度變化的關系在電流一定的情況下電阻與電壓成正比。所以圖六也反映硅二極管的電阻值和溫度變化的關系。根據(jù)圖六我們可以得出結論：硅二極管在一定溫度范圍內具有負的電阻溫度系數(shù)。與鉑溫度計比較，我們可以利用硅二極管的這一特性來彌補金屬電阻溫度計在低溫區(qū)電阻值和靈敏度降低的缺陷。圖七溫差電偶的溫差電動勢值與溫度變化的關系用線性多項式對溫差電偶兩端的電動勢值與溫度關系曲線進行擬合，擬合的非常好，說明在誤差允許的范圍內溫差電偶兩端的電動勢值與溫度呈現(xiàn)多項式關系，溫差電偶兩端的電動勢隨著溫度的升高而呈上升趨勢，慢慢降溫的過程中溫差逐漸減小直至趨于零。3.超導轉變曲線的測量：根據(jù)加在樣品兩端的電流及電壓算出電阻，根據(jù)鉑電阻的電阻與溫度關系得出溫度，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)繪制樣品電阻與溫度的關系圖，如圖八：圖八超導轉變曲線根據(jù)圖八，在降溫過程中電阻溫度曲線開始從直線偏離處的電阻為0.0049Ω，起始轉變溫度TC,onset=99.82K，電阻從起始轉變處下降到一半時對應的溫度TC=92.99K，零電阻溫度4．超導材料磁浮力測量實驗：分別在無磁場的情況下與有磁場的情況下讓超導體發(fā)生相變（即零場冷和場冷），測量其磁懸浮力。（1）在無磁場時使超導體相變（零場冷）的實驗中，我們令磁體從遠距離處逐漸接近超導體，在幾乎接觸時再逐漸遠離，測量這一過程中的受力如圖九：圖九零場冷磁懸浮力與距離的關系圖圖中力為正值時表示的是排斥力，負值時為吸引力?？梢钥闯觯敶朋w開始接近超導體時，超導體給磁體的力為斥力，并且隨著距離的接近，斥力急劇增大；當磁體遠離超導體時，斥力隨距離的增大急劇減小，甚至出現(xiàn)了表現(xiàn)為引力的情況，故可以知道當磁體與超導體距離很近時，由于磁場十分強，使超導體進入混合態(tài)，一部分磁感線“留”在了超導體內，并被超導體所禁錮，因此當磁體遠離超導體時，由于磁感線被禁錮在超導體中，使得當距離遠到一定程度時，磁感線無法從超導體中脫離，故產(chǎn)生了引力。（2）在有磁場存在時使超導體相變（場冷）的實驗中，首先使磁體與超導體接近，在此情況下使超導體相變，相變后測量磁體遠離超導體過程中所受到的力的變化，以驗證超導體混合態(tài)的存在。實驗測量的磁懸浮力曲線如圖十：圖十場冷磁懸浮力與距離的關系圖可以看出，增大或減小間距都有一段表現(xiàn)為吸引力。場冷情況下磁體離開，超導中會存留俘獲磁通，所以當磁體再次減小間距時，殘留的俘獲磁通與磁體之間有吸引力。5.磁懸浮現(xiàn)象及解釋：現(xiàn)象一：把超導盤冷卻到超導臨界溫度以下時，把磁塊慢慢放到超導盤上。磁塊與超導盤之間有斥力，翻轉磁鐵，仍然受到斥力作用。解釋：磁力線完全被排斥在超導體外，超導體具有完全抗磁性?，F(xiàn)象二：將磁塊與超導盤放在一起，冷卻。當超導盤冷卻為超導體后，磁塊懸浮起來，保持在某一平衡位置。磁鐵靠近時兩者之間有斥力，遠離時兩者之間有引力。解釋：靠近時磁力線不能進入超導體內，在超導體表面形成很大的磁通密度梯度，感應出高臨界電流，從而對磁鐵產(chǎn)生排斥。超導體與磁塊之間的排斥力隨相對距離的減小而逐漸增大，克服磁塊的重力，使磁塊懸浮在超導體上方的一定高度上。當磁體遠離時，超導體中產(chǎn)生負的磁通密度，感應出反向的臨界電流，超導體與磁塊之間產(chǎn)生引力，克服超導體的重力，使其倒掛在永磁體下方的某一位置。誤差分析：數(shù)據(jù)處在不斷變化中，尤其在轉變溫度附近變化非?？?，沒辦法做到同時記錄。導致電阻或電壓與溫度之間不是嚴格對應而對測量造成