高溫超導材料特性

高溫超導材料特性測試和低溫溫度計自1911年荷蘭物理學家翁納斯發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象以后，人們一直在為提高超導臨界溫度而努力，直到1986年，才有了極大的進展，現(xiàn)在，臨界溫度已提高到130K左右。目前，塊狀超導體、高溫超導導線、大面積超導薄膜等超導材料在磁懸浮輸運、強電、弱電等工程領(lǐng)域上的應用已完成了前期實驗階段，現(xiàn)已投入工程開發(fā)中。專家預測，二十年內(nèi)超導技術(shù)將在通訊、交通、軍事、電力等領(lǐng)域得到應用。歷史上已有八位科學家因為超導研究方面的成就而榮獲諾貝爾物理學獎，可見超導研究的重要性，它是物理學的前沿課題。本實驗的內(nèi)容是低溫的獲得和控制、各類溫度傳感器和液面計的特性應用、電阻的四引線測量法、亂真電動勢的判定等?！灸康摹苛私飧吲R界溫度超導材料的基本特性及其測試方法。了解鉑電阻和半導體pn結(jié)的正向電壓及溫差電偶的電動勢隨溫度的變化情況。學習幾種低溫溫度計的比對和使用方法，以及低溫溫度控制的簡便方法?！驹怼客ǔ０盐矬w在一定溫度下電阻突然跌落到零的現(xiàn)象，稱為零電阻現(xiàn)象或超導現(xiàn)象，而把電阻突然變?yōu)榱愕臏囟确Q為臨界溫度，用TC表示。利用本實驗裝置，可用逐點測量的方法得到高溫超導體的電阻轉(zhuǎn)變曲線，并可用標準的方法判斷零電阻現(xiàn)象是否實現(xiàn)。除了零電阻現(xiàn)象之外，超導體還具有另一個基本的特征一一邁斯納效應（完全抗磁性），即不論在有或沒有外加磁場的情況下，使樣品從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)，只要T<TC，在超導體內(nèi)部的磁感應強度總是等于零的。圖1四引線法測量電阻其電阻為零。溫度大約為管和超導樣品流源、標準電圖1四引線法測量電阻其電阻為零。溫度大約為管和超導樣品流源、標準電當超導體溫度降到某一溫度（T）時，本實驗中，所用的YBaCuO樣品的零電阻90K左右。電測量設備及測量原理本實驗測量設備主要由鉑電阻、硅二極三個電阻測量電路構(gòu)成，每一電路均包含恒阻、待測電阻、數(shù)字電壓表和轉(zhuǎn)換開關(guān)等五個主要部件。實驗中測量樣品電壓等采用四引線測量法，其基本原理是：恒流源通過兩根電流引線將待測電流I提供給待測樣品，而數(shù)字電壓表則是通過兩根電壓引線測量樣品上電壓U。由于兩根電壓引線與樣品的節(jié)點處在兩根電流引線的節(jié)點之間，因此排除了電流引線與樣品之間的接觸電阻對測量的影響；又由于數(shù)字電壓表的輸入阻值很高，電壓引線的引線電阻以及它們與樣品之間的接觸電阻對測量的影響可以忽略不計。因此，四引線測量法減小甚至排除了引線電阻和接觸電阻對測量的影響，是國際上通用的標準測量方法。四引線法測量電阻示意圖見圖1。鉑電阻隨溫度的變化：實驗表明鉑電阻隨溫度的變化呈良好的線性關(guān)系，本實驗中溫度在77-130K范圍內(nèi)，鉑電阻R隨溫度T的關(guān)系為：T（K）=a+bR（a、b值由儀器使用說明書給出）。

」—引線插座一^引線拉桿—拉桿固定螺母—」—引線插座一^引線拉桿—拉桿固定螺母—拉桿固定螺栓V有機玻璃蓋|＞不銹鋼杜瓦容器紫銅圓筒上蓋錳銅加熱器線圈比-紫銅圓筒紫銅恒溫塊i一超導樣品可調(diào)式定點液面計I］下?lián)醢濉觥鲆粶夭铍娕己鸵好嬗?5Q錳銅加熱器線圈高溫超導樣品硅二極管溫度計銅25Q錳銅加熱器線圈高溫超導樣品硅二極管溫度計銅-康銅溫差電偶測量端鉑電阻溫度計圖2低溫恒溫器和杜瓦容器的結(jié)構(gòu)圖3紫銅恒溫塊（探頭）的結(jié)構(gòu)半導體電阻以及pn結(jié)的正向電壓隨溫度的變化：半導體具有與金屬很不相同的電阻溫度關(guān)系。一般而言，半導體具有負的電阻溫度系數(shù)，溫度越高，電阻越小。半導體pn結(jié)的正向電壓隨溫度的變化也呈線性關(guān)系，用一支二極管溫度計就能測量很寬范圍的溫度，且靈敏度很高，常用它作為控溫敏感元件。溫差電偶及定點液面計的測量電路：當兩種金屬所做成的導線連成回路，并使其兩接觸點維持在不同溫度時，該閉合回路就會有溫差電動勢存在。在本實驗中，將回路的一個接觸點固定在液氮沸點77.4K，則可由溫差電動勢測得另一點的溫度。實驗中，利用轉(zhuǎn)換開關(guān)和PZ158型直流數(shù)字電壓表，可以監(jiān)測鉑電阻上電壓、硅二極管pn結(jié)正向電壓、樣品電壓、銅一康銅溫差電偶的電動勢以及可調(diào)式定點液面計的指示。【實驗儀器】BW2型高溫超導材料特性測試裝置，其中低溫恒溫器和杜瓦容器的結(jié)構(gòu)見圖2,紫銅恒溫塊的結(jié)構(gòu)見圖3?！緦嶒瀮?nèi)容】液氮的灌注及電路的連接，在老師指導下完成。低溫恒溫器降溫速率的控制及低溫溫度計的比對。1） 確認是否已將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋至“液面指示”處。樣品電流取5mA。2） 當?shù)蜏睾銣仄鞯南聯(lián)醢褰胍旱獣r，液氮表面會像沸騰一樣翻滾并伴有響聲，有大量冷氣噴出，大約1分鐘后液面逐漸平靜下來，這時，可少許旋松拉桿固定螺母，控制拉桿緩緩下降，并密切監(jiān)視與液面指示計相連接的PZ158型直流數(shù)字電壓表的示值（以下簡稱“液面計示值“），使之逐漸減小到“零”，立即擰緊固定螺母，這時液氮面恰好位于紫銅圓筒底部與下?lián)醢彘g距離的1/2處（該處安裝有液面計，原理是利用了溫差電偶）。3）將測量選擇旋鈕撥至Pt電流檔，將Pt上電壓調(diào)至100.00mVo此時通過Pt的電流達到規(guī)定值：I=I。?！啊鉳V=1.0000mA，測量時撥回電壓檔。1 100.00Q4）將測量選擇旋鈕撥至SID電流檔，將硅二極管SID上電壓調(diào)至1.0000V，此時通過SID的電流達規(guī)定值：I=1'0000V=0.10000mA，測量時撥回電壓檔。2 10.000KQ

實驗過程中定時測量，起始可以5分鐘左右測一次，每次在同一時刻測量鉑電阻、硅二極管、熱電偶和樣品上電壓U]、U2、U3、U4，并多次緩緩下降拉桿，以保持液面計指示很小或為零，直至超導狀態(tài)為止，實驗中，切忌溫度變化太快和溫度起伏。當樣品上電壓U4開始明顯加快減小時，測量點時間間隔要減小，可以取30S甚至10S測一次。【實驗圖表】由鉑電阻上電壓U1求出鉑電阻的阻值鳥，R]=U]/I]，進而求出相應的溫度值T(K)=a+bR]，作鉑電阻阻值R[—溫度T關(guān)系圖。作硅二極管pn結(jié)正向電壓U2一溫度T關(guān)系圖。2060 80100120140160180200220240鉑電阻阻值一溫度關(guān)系圖ooooooO98765431宜且且且白U笙電向正結(jié)np60 801001201401601802002202402060 80100120140160180200220240鉑電阻阻值一溫度關(guān)系圖ooooooO98765431宜且且且白U笙電向正結(jié)np60 80100120140160180200220240pn結(jié)正向電壓一溫度關(guān)系圖50505050