高溫超導(dǎo)材料特性

高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試和低溫溫度計(jì)自1911年荷蘭物理學(xué)家翁納斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以后，人們一直在為提高超導(dǎo)臨界溫度而努力，直到1986年，才有了極大的進(jìn)展，現(xiàn)在，臨界溫度已提高到130K左右。目前，塊狀超導(dǎo)體、高溫超導(dǎo)導(dǎo)線、大面積超導(dǎo)薄膜等超導(dǎo)材料在磁懸浮輸運(yùn)、強(qiáng)電、弱電等工程領(lǐng)域上的應(yīng)用已完成了前期實(shí)驗(yàn)階段，現(xiàn)已投入工程開發(fā)中。專家預(yù)測(cè)，二十年內(nèi)超導(dǎo)技術(shù)將在通訊、交通、軍事、電力等領(lǐng)域得到應(yīng)用。歷史上已有八位科學(xué)家因?yàn)槌瑢?dǎo)研究方面的成就而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，可見超導(dǎo)研究的重要性，它是物理學(xué)的前沿課題。本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是低溫的獲得和控制、各類溫度傳感器和液面計(jì)的特性應(yīng)用、電阻的四引線測(cè)量法、亂真電動(dòng)勢(shì)的判定等?！灸康摹苛私飧吲R界溫度超導(dǎo)材料的基本特性及其測(cè)試方法。了解鉑電阻和半導(dǎo)體pn結(jié)的正向電壓及溫差電偶的電動(dòng)勢(shì)隨溫度的變化情況。學(xué)習(xí)幾種低溫溫度計(jì)的比對(duì)和使用方法，以及低溫溫度控制的簡(jiǎn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)裝置，可用逐點(diǎn)測(cè)量的方法得到高溫超導(dǎo)體的電阻轉(zhuǎn)變曲線，并可用標(biāo)準(zhǔn)的方法判斷零電阻現(xiàn)象是否實(shí)現(xiàn)。除了零電阻現(xiàn)象之外，超導(dǎo)體還具有另一個(gè)基本的特征一一邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性），即不論在有或沒有外加磁場(chǎng)的情況下，使樣品從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，只要T<TC，在超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零的。圖1四引線法測(cè)量電阻其電阻為零。溫度大約為管和超導(dǎo)樣品流源、標(biāo)準(zhǔn)電圖1四引線法測(cè)量電阻其電阻為零。溫度大約為管和超導(dǎo)樣品流源、標(biāo)準(zhǔn)電當(dāng)超導(dǎo)體溫度降到某一溫度（T）時(shí)，本實(shí)驗(yàn)中，所用的YBaCuO樣品的零電阻90K左右。電測(cè)量設(shè)備及測(cè)量原理本實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備主要由鉑電阻、硅二極三個(gè)電阻測(cè)量電路構(gòu)成，每一電路均包含恒阻、待測(cè)電阻、數(shù)字電壓表和轉(zhuǎn)換開關(guān)等五個(gè)主要部件。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量樣品電壓等采用四引線測(cè)量法，其基本原理是：恒流源通過兩根電流引線將待測(cè)電流I提供給待測(cè)樣品，而數(shù)字電壓表則是通過兩根電壓引線測(cè)量樣品上電壓U。由于兩根電壓引線與樣品的節(jié)點(diǎn)處在兩根電流引線的節(jié)點(diǎn)之間，因此排除了電流引線與樣品之間的接觸電阻對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)量的影響可以忽略不計(jì)。因此，四引線測(cè)量法減小甚至排除了引線電阻和接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響，是國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法。四引線法測(cè)量電阻示意圖見圖1。鉑電阻隨溫度的變化：實(shí)驗(yàn)表明鉑電阻隨溫度的變化呈良好的線性關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(jī)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(dǎo)樣品可調(diào)式定點(diǎn)液面計(jì)I］下?lián)醢濉觥鲆粶夭铍娕己鸵好嬗?jì)25Q錳銅加熱器線圈高溫超導(dǎo)樣品硅二極管溫度計(jì)銅25Q錳銅加熱器線圈高溫超導(dǎo)樣品硅二極管溫度計(jì)銅-康銅溫差電偶測(cè)量端鉑電阻溫度計(jì)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(dǎo)體電阻以及pn結(jié)的正向電壓隨溫度的變化：半導(dǎo)體具有與金屬很不相同的電阻溫度關(guān)系。一般而言，半導(dǎo)體具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，溫度越高，電阻越小。半導(dǎo)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(jì)就能測(cè)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(diǎn)液面計(jì)的測(cè)量電路：當(dāng)兩種金屬所做成的導(dǎo)線連成回路，并使其兩接觸點(diǎn)維持在不同溫度時(shí)，該閉合回路就會(huì)有溫差電動(dòng)勢(shì)存在。在本實(shí)驗(yàn)中，將回路的一個(gè)接觸點(diǎn)固定在液氮沸點(diǎn)77.4K，則可由溫差電動(dòng)勢(shì)測(cè)得另一點(diǎn)的溫度。實(shí)驗(yàn)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(cè)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(dòng)勢(shì)以及可調(diào)式定點(diǎn)液面計(jì)的指示。【實(shí)驗(yàn)儀器】BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)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。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】液氮的灌注及電路的連接，在老師指導(dǎo)下完成。低溫恒溫器降溫速率的控制及低溫溫度計(jì)的比對(duì)。1） 確認(rèn)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(dāng)?shù)蜏睾銣仄鞯南聯(lián)醢褰胍旱獣r(shí)，液氮表面會(huì)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(lái)，這時(shí)，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(jì)相連接的PZ158型直流數(shù)字電壓表的示值（以下簡(jiǎn)稱“液面計(jì)示值“），使之逐漸減小到“零”，立即擰緊固定螺母，這時(shí)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(jì)，原理是利用了溫差電偶）。3）將測(cè)量選擇旋鈕撥至Pt電流檔，將Pt上電壓調(diào)至100.00mVo此時(shí)通過Pt的電流達(dá)到規(guī)定值：I=I。?！啊鉳V=1.0000mA，測(cè)量時(shí)撥回電壓檔。1 100.00Q4）將測(cè)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(shí)通過SID的電流達(dá)規(guī)定值：I=1'0000V=0.10000mA，測(cè)量時(shí)撥回電壓檔。2 10.000KQ

實(shí)驗(yàn)過程中定時(shí)測(cè)量，起始可以5分鐘左右測(cè)一次，每次在同一時(shí)刻測(cè)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(jì)指示很小或?yàn)榱?，直至超?dǎo)狀態(tài)為止，實(shí)驗(yàn)中，切忌溫度變化太快和溫度起伏。當(dāng)樣品上電壓U4開始明顯加快減小時(shí)，測(cè)量點(diǎn)時(shí)間間隔要減小，可以取30S甚至10S測(cè)一次?！緦?shí)驗(yàn)圖表】由鉑電阻上電壓U1求出鉑電阻的阻值鳥，R]=U]/I]，進(jìn)而求出相應(yīng)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