高温超导临界温度测量
物理高温超导实验报告

一、实验目的本次实验旨在探究高温超导材料的物理特性,了解其超导临界温度、临界电流密度等关键参数,并通过实验验证高温超导材料在实际应用中的可行性。
二、实验原理高温超导材料是指在较高温度下仍能保持超导特性的材料。
超导现象是指某些材料在温度降低到一定临界温度以下时,其电阻突然降为零的现象。
高温超导材料的发现,突破了传统超导材料对低温环境的依赖,具有广泛的应用前景。
本实验采用三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品,利用高压光学浮区技术制备。
在高压条件下,样品表现出压力诱导的体超导电性,超导体积分数高达86%。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器:- 高压光学浮区装置- 超导测量系统- 低温恒温器- 磁场发生器- 电流表、电压表- 数据采集器2. 实验材料:- 三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品- 低温液氮四、实验步骤1. 将三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品置于高压光学浮区装置中,进行高压处理。
2. 将高压处理后的样品置于超导测量系统中,测量其超导临界温度。
3. 在不同温度下,对样品施加不同电流,测量其临界电流密度。
4. 在不同磁场下,测量样品的超导临界磁场。
5. 利用数据采集器记录实验数据,进行分析和处理。
五、实验结果与分析1. 超导临界温度:通过实验测量,三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品的超导临界温度为30K。
2. 临界电流密度:在不同温度下,样品的临界电流密度随温度升高而降低。
在超导临界温度附近,临界电流密度达到最大值。
3. 超导临界磁场:在超导临界温度附近,样品的超导临界磁场较低。
4. 分析与讨论:本实验验证了三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品在高压条件下具有压力诱导的体超导电性。
实验结果表明,该材料在高温超导领域具有较高的应用潜力。
六、结论通过本次实验,我们成功探究了高温超导材料的物理特性,包括超导临界温度、临界电流密度和超导临界磁场等关键参数。
实验结果表明,三层镍氧化物La4Ni3O10单晶样品在高压条件下具有良好的高温超导性能,为高温超导材料的应用提供了新的思路和方向。
高温超导实验报告步骤(3篇)

第1篇一、实验目的1. 了解高温超导体的基本特性和物理机制。
2. 学习液氮低温技术,掌握低温环境下的实验操作。
3. 测量高温超导体的临界温度(Tc)和临界磁场(Hc)。
4. 研究高温超导体的临界电流(Ic)与磁场、温度的关系。
二、实验原理高温超导现象是指某些材料在液氮温度(约77K)下表现出超导特性。
实验中,通过测量超导体的电阻、临界温度、临界磁场等参数,来研究高温超导体的物理性质。
三、实验仪器与材料1. 高温超导材料(如钇钡铜氧YBCO等)2. 低温冰箱3. 温度计4. 磁场计5. 电阻计6. 磁场发生器7. 数字多用表8. 液氮四、实验步骤1. 样品制备:将高温超导材料制备成合适尺寸的样品,通常为薄片或丝状。
2. 低温环境准备:将低温冰箱预热至液氮温度,并将样品放入冰箱内冷却至液氮温度。
3. 电阻测量:- 使用电阻计测量样品在液氮温度下的电阻。
- 记录电阻值,作为初始数据。
4. 临界温度测量:- 慢慢升温,观察电阻变化。
- 当电阻突然降至零时,记录此时的温度,即为临界温度(Tc)。
5. 临界磁场测量:- 使用磁场计测量样品在液氮温度下的磁场。
- 慢慢增加磁场强度,观察电阻变化。
- 当电阻突然降至零时,记录此时的磁场强度,即为临界磁场(Hc)。
6. 临界电流测量:- 在一定磁场下,逐渐增加电流,观察电阻变化。
- 当电阻突然降至零时,记录此时的电流,即为临界电流(Ic)。
7. 温度与磁场关系研究:- 在不同温度下,重复步骤4和5,研究临界温度(Tc)和临界磁场(Hc)与温度的关系。
- 在不同磁场下,重复步骤6,研究临界电流(Ic)与磁场的关系。
8. 数据整理与分析:- 将实验数据整理成表格,分析高温超导体的物理性质。
- 对比不同高温超导材料的物理性质,总结实验结果。
五、实验注意事项1. 实验过程中,务必保持低温环境,避免样品受热。
2. 在测量电阻、临界温度、临界磁场等参数时,要确保仪器精度。
3. 注意实验安全,防止低温伤害。
高温超导材料临界转变温度

实验 预习说明1.附录不必看,因为示波器改用Kenwood CB4125A 型,它的使用指南见实验室说明资料。
2.测量B-H 曲线,用示波器直接测出R 1上的电压值u 1(3.11.1)式和电容上电压值u C ()式。
3.由于R 1、R 2和C 值不确定,仍需要用教材方法标定B 0、H 0,但是(3.11.7)、()式中L x 、L y 分别用标定时的电压u x 、u y 代替。
u x 、u y 为电压的峰峰值。
选做实验 高温超导材料临界转变温度的测定一.引言1911年荷兰物理学家卡默林翁纳斯(Kamerling Onnes)首次发现了超导电性。
这以后,科学家们在超导物理及材料探索两方面进行了大量的工作。
二十世纪五十年代BCS 超导微观理论的提出,解决了超导微观机理的问题。
二十世纪六十年代初,强磁场超导材料的研制成功和约瑟夫森效应的发现,使超导电技术在强场、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。
1986年瑞士物理学家缪勒(Karl Alex Muller)等人首先发现La-Ba-Cu-O 系氧化物材料中存在的高温超导电性,世界各界科学家在几个月的时间内相继取得重大突破,研制出临界温度高于90K 的Y-Ba-Cu-O (也称YBCO )系氧化物超导体。
1988年初又研制出不含稀土元素的Bi 系和Tl 系氧化物超导体,后者的超导完全转变温度达125K 。
超导研究领域的一系列最新进展,特别是大面积高温超导薄膜和临界电流密度高于105A/cm 2 Bi 系超导带材的成功制备,为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。
测量超导体的基本性能是超导研究工作的重要环节,临界转变温度T C 的高低则是超导材料性能良好与否的重要判据,因此T C 的测量是超导研究工作者的必备手段。
二.实验目的 1.通过对氧化物超导材料的临界温度T C 两种方法的测定,加深理解超导体的两个基本特性; 2.了解低温技术在实验中的应用; 3.了解几种低温温度计的性能及Si 二极管温度计的校正方法; 4.了解一种确定液氮液面位置的方法。
实验十一高温超导转变温度测量实验

实验十一 高温超导转变温度测量实验超导电性简称超导(superconductivity ),它是指某物质在温度低于某一定值时,出现电阻率为零的现象。
自20世纪20年代起,人们就开始对超导性的理论和应用做了大量的研究。
随着超导研究的进展,特别是20世纪80年代高温超导材料问世后,超导技术已开始广泛应用于科学研究和人类生活之中。
一.实验目的1.了解FD-TX-RT-II 高温超导转变温度测定仪的结构及使用方法;2.掌握液氮低温技术;3.利用FD--RT-II 高温超导转变温度测定仪,测量氧化物超导体YBa2CuO7的超导临界温度。
二.实验原理1.超导现象在所用气体中,氮具有最低的液化温度。
1908年,卡末林·昂尼斯(H ·Kammerlingh Onnes )首先成功地液化了氮,利用液氮又获得了4.25~1.15K 的极低温度。
在新到达的低温范围内,昂尼斯进行了金属电阻随温度变化的研究。
1911年,他发现当温度降低时,汞的电阻率先平缓地减少,当温度T <4.2K 时,汞的电阻率突然降为零。
随后他又发现,除铜、金、银与铁等室温下的良导体以外,还有其他许多金属有此现象。
1913年他将这种新的物态定名为超导态(Superconducting State ),而将电阻率突然为零的温度称为超导体转变温度(inversiontemperature )或临界温度,用T c 表示。
在昂尼斯之后,人们又陆续发现了许多其他金属或合金在低温下也能转变为超导态,但它们的转变温度不同。
由于这些金属的超导现象是在低温下获得,故这种超导现象也称为低温超导。
处在超导态的物质具有如下重要性质:1) 直流零电阻效应如前所述,当某些金属、合金和化合物的温度下降到T <T c 时,它们的电阻率突然降为零,处于超导态。
在超导态下,物质的电阻真的完全消失了吗?最灵敏的试验是超导环中的持续电流试验:将一金属环放在垂直于环平面的磁场中,将其冷却到超导的转变温度以下,然后撤去磁场,由电磁感应原理知,这时在环中产生感应电流。
高温超导材料的性能表征与应用

高温超导材料的性能表征与应用高温超导材料是指能够在相对较高的温度下表现出超导特性的材料。
传统的超导材料需要极低的温度才能发挥超导效应,而高温超导材料的出现使得超导技术在实际应用中具有更大的潜力。
本文将重点介绍高温超导材料的性能表征方法以及其在各个领域的应用。
性能表征是评估材料质量和性能的重要手段,对于高温超导材料也不例外。
以下是一些常用的性能表征方法:1. 临界温度(Tc)的测量:临界温度是指超导材料在一定外加条件下开始表现出超导性的温度。
常用的测量方法包括电阻和磁化率的测试。
电阻测试通过观察材料的电阻随温度变化的关系来确定临界温度。
磁化率测试则通过测量超导体在外磁场下的磁化强度来确定临界温度。
这两种方法都需要在严格的实验条件下进行,并结合其他物理性质的测量来获得准确的结果。
2. 超导电性能的测量:超导电性是高温超导材料最重要的性能之一。
通过测量材料的电阻、电流-电压关系、磁化率等性质可以得到超导材料的基本电性能参数,如超导电流密度、临界电场强度等。
这些参数对于超导材料在电力传输、储能等领域的应用具有重要的指导意义。
3. 结构分析:高温超导材料的结构分析可以通过X射线衍射、电子扫描显微镜等方法进行。
这些方法可以确定材料的晶体结构、晶格参数以及缺陷等信息。
结构分析对于研究超导机制、改善材料性能以及制备新材料具有重要意义。
4. 磁场依赖性的测量:磁场对超导性能的影响是研究超导材料的重要方面之一。
通过测量材料在不同磁场下的超导电性能可以研究材料对磁场的响应以及磁场对电流的影响。
这种测量方法可以揭示材料的磁通钉扎和抗磁性等特性,有助于理解超导机制。
高温超导材料由于具有较高的临界温度和优越的超导性能,在多个领域具有广泛的应用前景。
以下是一些典型的应用领域:1. 电力传输与储能:高温超导材料具有较高的超导电流密度和较高的临界电场强度,可以用于提高电力传输线路的传输能力和效率。
另外,高温超导材料也可以应用于超导磁体和超导能量储存设备,实现电能的高效储存和传输。
实验二 高温超导体的临界温度和临界电流的测量

实验二 高温超导体的临界温度和临界电流的测量在各种新材料特性研究中,其电特性的研究占有相当重要的地位,往往由此揭示新的物理规律和这些材料新的应用前景.追溯超导电现象的发现历史,就是在著名低温物理学家昂尼斯(K.Onnes ,1853-1926)的指导下,实现的氦的液化,达到4.2K 这个当时所能达到的最低温度后,探索在所达到的新的低温区内各种金属电阻变化规律,当选用纯汞作实验时,发现随着温度的下降,汞的电阻先是平缓地减小,而在 4.2K 附近,电阻在很窄的温区内,突然降为零.如图C.2.1所示.他把这种显示零电阻特性的物质状态定为“超导态”,该现象称为“超导电性”.又如现在广泛应用的半导体,其基本特性的揭示是和电阻-温度关系的研究分不开的.而在低温测量中广泛应用的电阻温度计,完全是建立在对各种类型材料的电阻-温度关系研究的基础上的.实验目的1.掌握超导材料临界温度和临界电流测试原理和方法. 2.测量反映高温超导体基本特性.3.利用电磁测量的基本手段来研究高温超导体.仪器和用具低温装置(包括真空玻璃杜瓦和测试探头),数字电压表2台(分别为215214和位的数字电压表),铂电阻温度计或铜-康铜温差电偶,恒流源(100mA ,100Ω),直流稳压电源与标准电阻(10Ω、1Ω),高温超导样品,铟丝,银引线(或细漆包线),液氮,直流放大器.实验原理1.超导体的基本特性——零电阻现象和迈斯纳效应超导材料有两个不同于其他材料的最基本特性,即零电阻现象和完全抗磁性(也称迈斯纳效应).零电阻现象是指具有超导电性的材料,当温度下降时,其电阻随温度下降发生缓K /图C.2.1汞的电阻与温度关系0=R C起始R R 9.05.0R 1.0R 图C.2.2转变宽度T ∆慢的变化(一种是金属性的材料,其电阻缓慢下降;一种是显示半导体性,其电阻缓慢升高),而当到达某一温度时,其电阻在很窄的温区内,从n R 急剧地变为零,超导体呈现零电阻现象.为描述电阻陡降的突变过程,可以定义如下几个特征温度:起始转变温度起始T 是指电阻随温度的变化偏离线性的温度;临界温度C T 是指电阻值下降到2/n R 时所对应的温度,零电阻温度0=R T 为电阻刚降至零时对应的温度,而把电阻变化1/10到9/10所对应的温度间隔定义为转变宽度T ∆,如图C.2.2所示.超导体的另一个重要电磁特性是完全抗磁性,即所谓迈斯纳效应.不论超导体是先降温到超导态再加磁场,还是先加磁场后降温,只要温度低于零电阻温度,置于磁场下超导体内的磁感应强度B 都恒等于零,磁场被排斥到超导体外面,该现象称为迈斯纳效应.该效应是超导体区别于理想导体的独有特性.由于磁感应强度B 和磁场强度H 有如下关系:H M x H B m r ⋅+==)1(0μμ (C.2.1)式中0μ为真空磁导率,r μ为介质的相对磁导率,m x 为磁化率.当发生正常态到超导态的转变时,r μ由1变到零,或者说磁化率由近于零变到-1,从而使超导体内部B=0.如果把超导体材料作成线圈的芯子,则线圈自感L 和介质的磁导率的关系如下:V n L r 20μμ= (C.2.2)式中n 为线圈单位长度的匝数,V 为线圈的体积,可见当发生超导转变时,磁导率r μ发生变化,线圈的电感量也变化.利用超导转变时,线圈电感量变化来测量临界温度的方法,称为电感法.1.临界电流当通过超导线的电流超过一定的数值后,超导态便被破坏,转变为正常态,该电流I c 称为超导体的临界电流.当电流超过一定值后,所以能引起超导态到正常态的转化,其根本原因是由于电流所产生的磁场(自场)超过临界磁场引起的.各超导体临界电流的大小,除和超导材料组成和结构有关外,对同一种超导材料而言,与其截面积的大小和形状有关.2.测量方法及参考方案电阻法测临界电流最常用的方法是四引线法.四引线法示意图如图C.2.3所示,其中两图C.2.3四引线法端的电流引线与恒流源相连,用以检测超导样品的电压.当产生超导转变时,其电压降为零.采用四引线法的优点在于能够避免引线及接点电阻所引入的测量误差.由于数字电压表的输入阻抗很高,所以引线的接点的接触电阻均可忽略.用四引线法测超导转变温度的原理简图如图C.2.4所示.图中温度测量是用铜-康铜温差电偶,也可采用铂电阻温度计,铂电阻温度计电阻的对应关系见文献]3[所附分度值表.如用铜-康铜温差电偶,则必须利用铂电阻温度计在所使用的温区(即77K~室温)对铜-康铜温差电偶进行定标.通过样品的电流在毫安量级.实验中采用的低温装置是一种简易的真空玻璃杜瓦瓶,内盛液氮,低温可到达液氮温度.超导样品和测量用铂电阻温度计或铜-康铜温差电偶安装在测试探头上,如图 C.2.5所示.当把测试探头浸入液氮并达到热平衡时,恒温紫铜块、超导样品和温度计均达到液氮温度.提升探头至液氮以上,恒温紫铜块和超导样品同步逐渐升温,可测出超导样品输出电压随温度的变化曲线.本实验所用的高温超导样品是采用烧结工艺制备的多晶超导块材料,其结构式为Yba 2Cu 3O 7-δ,式中δ为与超导样品氧含量有关的系数,样品的转变温度约为92K 左右,由于该样品无法用焊接法直接引出引线,四引线发的四根引线是用铟丝将细银丝粘压在高温超导样品表面,然后再焊在接线片上.所有引线均由德银管引出与德银管上端的接线插座相连,并由接头接到测量电路.临界电流的测量线路也可用图C.2.4说明,即只要把图C.2.4中的恒流源改用输出电压可调的稳压电源,毫安表改用额定电流为数安培的取样电阻就可以了.改变稳压电源的输出电压,即可改变电流,直到样品发生超导态到正常态的转变.本实验只要求测出液氮温区的临界电流.电路、仪器的配置和参数的选择由同学自己考虑选取.图C.2.4四引线法测量C T 装置的示意图若采用磁测量法测转变温度,可参阅本实验后所附参考文献,自己组装测量和调试测量装置.在科研工作中,由于研究工作的需要,往往要根据或参考别人的文献,并根据自己所需解决的问题和仪器设备条件,加以适当的改进,实现测量,这也是科研能力的训练.在以上测试中由于要用到低温容器与液氮,使用中必须注意遵守下列安全规则:1.所有盛放在低温液氮的容器都必须留有供蒸发气体逸出的孔道,以免容器内压力过大引起事故.2.液氮灌入玻璃杜瓦时,应缓慢灌入,避免骤冷引起杜瓦的破裂.灌注液氮采用专用液氮灌注器.3.实验中注意不要让液氮触及裸露的皮肤特别是眼睛,以免造成严重的冻伤. 4.使用液氮时,室内应保持空气通畅,防止液氮的大量蒸发造成室内缺氧.因为氧含量低于14%~15%,会引起人的昏厥.实验内容1.高温超导样品的准备本实验提供的高温超导样品,是用一般陶瓷烧结工艺制备的,先按照1:2:3的理想配比,将氧化钇、氧化铜和碳酸钡的分析纯粉末混合,然后经过研磨、预烧、压片和烧结等工艺制成直径为12mm 、厚度为1mm 的超导圆片,结构式为Yba 2Cu 3O 7-δ.经切割后成为2mm ×1mm 截面的条形试样.粘压引线的方法如下:把从铟丝上切割下的铟粒新鲜面用削尖的竹简压贴在试样的表面,银引线的一端置于压贴好的新鲜铟面上,上端再用新鲜的铟粒面压贴固定,这样可形成良好的欧姆接触.可用万用表检查接点是否良好.2.用四引线法测量高温超导样品的临界温度,求出几个特征温度.根据提供的测试仪器和设备,决定测量方案和测试线路,选择测量参数和操作步骤,完成测量.3.测量所提供样品的临界电流,计算临界电流密度.4.参阅参考文献,用磁测量法测量临界温度,同学也可根据迈斯纳效应的特点,设计其图C.2.5低温装置图1.真空玻璃杜瓦;2.德银管;3.外套筒;4.超导样品;5.恒温紫铜块;6.液氮;7.铂电阻温度计;8.接线片.他观察研究迈斯纳效应的实验方法.参考文献[1]章立源等.超导物理.北京:电子工业出版社,1987.8[2]贾起民,郑永令.电磁学下册.上海:复旦大学出版社,1987.182——190[3]戴乐山.温度计量.北京:中国计量出版社,1987.182——190[4]吕斯骅,朱印康.近代物理实验技术.北京:高等教育出版社,1991.240[5]俞永勤等.频率法在高温超导体中的应用.低温与超导,1989,17(4):39——42。
超导材料的性能测试及评估方法

超导材料的性能测试及评估方法引言超导材料是一类具有特殊电性质的材料,具有零电阻和完全抗磁性的特点。
在超导材料的研究和应用中,性能测试和评估是非常重要的环节。
本文将探讨超导材料的性能测试及评估方法,以期为超导材料研究和应用提供一定的指导。
一、临界温度测试临界温度是超导材料的重要性能指标,它表示了材料从正常态到超导态的转变温度。
常用的测试方法有四探针法和交流磁化率法。
四探针法是一种直接测量超导材料电阻的方法。
通过在样品上施加电流,利用四个探针测量电压差,从而计算出电阻。
当超导材料处于超导态时,电阻为零。
通过逐渐降低温度,可以确定临界温度。
交流磁化率法是通过测量材料在交变磁场中的磁化率来确定临界温度。
在超导态下,材料对交变磁场的磁化率为零。
通过不断改变温度和磁场的大小,可以确定临界温度。
二、临界电流密度测试临界电流密度是指超导材料在超导态下能够通过的最大电流密度。
它是衡量超导材料承载能力的重要指标。
常用的测试方法有四探针法和交流磁化率法。
四探针法是通过在样品上施加外部磁场,测量样品的电压差来确定临界电流密度。
当电流密度超过临界电流密度时,材料会从超导态转变为正常态,电阻出现。
通过改变温度和磁场的大小,可以确定临界电流密度。
交流磁化率法是通过测量材料在交变磁场中的磁化率来确定临界电流密度。
在超导态下,材料对交变磁场的磁化率为零。
通过改变温度和磁场的大小,可以确定临界电流密度。
三、超导体积分数测试超导体积分数是指超导材料中超导相的体积占比。
它是衡量超导材料纯度的重要指标。
常用的测试方法有磁滞回线法和直流磁化率法。
磁滞回线法是通过测量样品在外部磁场作用下的磁化率来确定超导体积分数。
当外部磁场逐渐增大时,样品会出现磁滞回线,通过测量磁滞回线的面积,可以计算出超导体积分数。
直流磁化率法是通过测量样品在直流磁场中的磁化率来确定超导体积分数。
在超导态下,样品对直流磁场的磁化率为零。
通过改变磁场大小,可以确定超导体积分数。
高温超导实验报告

高温超导实验报告高温超导实验报告引言:高温超导是一项引人注目的科学研究领域,其在能源传输、磁共振成像、电子器件等方面具有巨大的应用潜力。
本实验旨在探索高温超导的特性和应用,并通过实验验证其超导性质。
一、实验背景超导现象的发现可以追溯到1911年,当时荷兰物理学家海克·卡末林发现在低温下某些金属材料的电阻会突然消失。
然而,这些材料只在极低温下才能表现出超导性,限制了其应用范围。
直到1986年,高温超导材料的发现才引起了科学界的广泛关注。
二、实验目的1. 研究高温超导材料的特性,包括临界温度、超导电流等。
2. 探索高温超导材料在能源传输、磁共振成像等领域的应用潜力。
三、实验原理高温超导的原理基于电子对的库伦相互作用和晶格振动。
在高温下,晶格振动增强了电子对的结合能,使其能够在较高温度下形成超导态。
四、实验步骤1. 准备高温超导材料样品,并确定其临界温度。
2. 制备超导电路,并将样品与电路连接。
3. 测量样品在不同温度下的电阻,以确定其临界温度。
4. 测量样品在超导态下的电流传输性能。
5. 研究样品在外加磁场下的超导性质。
五、实验结果与分析1. 样品的临界温度为XK,表明该材料在较高温度下仍能表现出超导性。
2. 样品在超导态下的电流传输性能良好,电阻几乎为零。
3. 样品在外加磁场下的超导性质受到一定程度的影响,磁场强度增加会使超导电流减小。
六、实验讨论1. 高温超导材料的发现为超导技术的应用提供了新的可能性,尤其是在能源传输领域。
2. 高温超导材料的制备和性能研究仍面临一些挑战,如材料稳定性和制备成本等问题。
3. 进一步研究高温超导材料的特性和机制,有助于推动其应用的发展和改进。
七、实验结论本实验通过测量高温超导材料的电阻和电流传输性能,验证了其超导性质。
高温超导材料具有较高的临界温度和良好的电流传输性能,为其在能源传输、磁共振成像等领域的应用提供了潜力。
八、实验总结本实验通过对高温超导材料的研究,深入了解了其特性和应用潜力。
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高临界温度超导体临界温度的电阻测量法引言人们在1877年液化了氧,获得—183℃的低温后就发展低温技术。
随后,氮、氢等气体相继液化成功。
1908年,荷兰莱顿(L eiden)大学的卡麦林•翁纳斯(Kamerlingh Onnes)教授成功地使氦气液化,达到了4.2K的低温,三年后即在1911年翁纳斯发现,将水银冷却到4.15K时,其电阻急剧地下降到零。
他认为,这种电阻突然消失的现象,是由于物质转变到了一种新的状态,并将此以零电阻为特征的金属态,命名为超导态。
1933年迈斯纳(Meissner)和奥森菲尔德(Ochsenfeld)发现超导电性的另一特性:超导态时磁通密度为零或叫完全抗磁性,即Meissner效应。
电阻为零及完全抗磁性是超导电性的两个最基本的特性。
超导体从具有一定电阻的正常态,转变为电阻为零的超导态时,所处的温度叫做临界温度,常用Tc表示。
直至1986年以前,人们经过70多年的努力才获得了最高临界温度为23K的Nb3Ge超导材料。
1986年4月,贝德诺兹(Bednorz)和缪勒(Müller)创造性地提出了在Ba-La-Cu-O系化合物中存在高Tc超导的可能性。
1987年初,中国科学院物理研究所赵忠贤等在这类氧化物中发现了Tc=48K的超导电性。
同年2月份,美籍华裔科学家朱经武在Y-Ba-Cu-O系中发现了Tc=90K的超导电性。
这些发现使人们梦寐以求的高温超导体变成了现实的材料,可以说这是科学史上又一次重大的突破。
其后,在1988年1月,日本科学家HirashiMaeda报导研制出临界温度为106K的Bi-Sr-Ca-Cu-O系新型高温超导体。
同年2月,美国阿肯萨斯大学的AllenHermann和Z.Z.Sheng等发现了临界温度为106K的Tl-Ba-Ca-Cu-O系超导体。
一个月后,IBM的Almaden又将这种体系超导体的临界温度提高到了125K。
1989年5月,中国科技大学的刘宏宝等通过用Pb和Sb对Bi的部分取代,使Bi-Sr-Ca-Cu-O系超导材料的临界温度提高到了130K。
在物理工作及材料探索工作的同时,应用方面也做了大量的工作,如超导量子干涉仪(SQUID)、超导磁铁等低温超导材料已商品化,而高温超导的发现,为超导应用带来了新的希望,而我国利用熔融织构法制备的Bi系银包套高Tc超导线材也已商品化。
参考资料[1]甘子钊、韩汝珊、张瑞明主编,氧化物超导材料物性专题报告文集,北京大学出版社,1988。
[2]G.K.White,ExperimentalTechniquesinLow TemperaturePhysics,ClarendonPress,Oxford,1979。
[3] 张礼主编,近代物理学进展,清华大学出版业,1997。
实验目的1.利用动态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系。
2.通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法。
3.学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理。
4.选用稳态法测量临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系并与动态进行比较。
实验原理1.临界温度Tc的定义及其规定超导体具有零电阻效应,通常把外部条件(磁场、电流、应力等)维持在足够低值时电阻突然变为零的温度称为超导临界温度。
实验表明,超导材料发生正常→超导转变时,电阻的变化是在一定的温度间隔中发生,而不是突然变为零的,如图4.4-1所示。
起始温度Ts(OnsetPoint)为R—T曲线开始偏离线性所对应的温度;中点温度Tm(m idPoint)为电阻下降至起始温度电阻Rs的一半时的温度;零电阻温度T为电阻降至零时的温度。
而转变宽度ΔT定义为Rs下降到90%及10%所对应的温度间隔。
高Tc材料发现之前,对于金属、合金及化合物等超导体,长期以来在测试工作中,一般将中点温度定义为Tc,即Tc=Tm。
对于高Tc氧化物超导体,由于其转变宽度ΔT较宽,有些新试制的样品ΔT可达十几K,再沿用传统规定容易引起混乱。
因此,为了说明样品的性能,目前发表的文章中一般均给出零电阻温度T(R=0)的数值,有时甚至同时给出上述的起始温度、中点温度及零电阻温度。
而所谓零电阻在测量中总是与测量仪表的精度、样品的几何形状及尺寸、电极间的距离以及流过样品的电流大小等因素有关,因而零电阻温度也与上述诸因素有关、这是测量时应予注意的。
2.样品电极的制作目前所研制的高Tc氧化物超导材料多为质地松脆的陶瓷材料,即使是精心制作的电极,电极与材料间的接触电阻也常达零点几欧姆,这与零电阻的测量要求显然是不符合的。
为消除接触电阻对测量的影响,常采用图(二)所示的四端子法。
两根电流引线与直流恒流电源相连,两根电压引线连至数字电压表或经数据放大器放大后接至X-Y记录仪,用来检测样品的电压。
按此接法,电流引线电阻及电极1、4与样品的接触电阻与2、3端的电压测量无关。
2、3两电极与样品间存在接触电阻,通向电压表的引线也存在电阻,但是由于电压测量回路的高输入阻抗特性,吸收电流极小,因此能避免引线和接触电阻给测量带来的影响。
按此法测得电极2、3端的电压除以流过样品的电流,即为样品电极2、3端间的电阻。
本实验所用超导样品为商品化的银包套铋锶钙铜氧高Tc超导样品,四个电极直接用焊锡焊接。
3.温度控制及测量临界温度Tc的测量工作取决于合理的温度控制及正确的温度测量。
目前高Tc氧化物超导材料的临界温度大多在60K以上,因而冷源多用液氮。
纯净液氮在一个大气压下的沸点为77.348K,三相点为63.148K,但在实际使用中由于液氮的不纯,沸点稍高而三相点稍低(严格地说,不纯净的液氮不存在三相点)。
对三相点和沸点之间的温度,只要把样品直接浸入液氮,并对密封的液氮容器抽气降温,一定的蒸汽压就对应于一定的温度。
在77K以上直至300K,常采用如下两种基本方法。
` (1)普通恒温器控温法。
低温恒温器通常是指这样的实验装置。
它利用低温流体或其他方法,使样品处在恒定的或按所需方式变化的低温温度下,并能对样品进行一种或多种物理量的测量。
这里所称的普通恒温器控温法,指的是利用一般绝热的恒温器内的锰铜线或镍铬线等绕制的电加热器的加热功率来平衡液池冷量,从而控制恒温器的温度稳定在某个所需的中间温度上。
改变加热功率,可使平衡温度升高或降低。
由于样品及温度计都安置在恒温器内并保持良好的热接触,因而样品的温度可以严格控制并被测量(参见图4.2-8)。
这样控温方式的优点是控温精度较高,温度的均匀性较好,温度的稳定时间长。
用于电阻法测量时,可以同时测量多个样品。
由于这种控温法是点控制的,因此普通恒温器控温法应用于测量时又称定点测量法。
(2)温度梯度法。
这是指利用贮存液氮的杜瓦容器内液面以上空间存在的温度梯度来自然获取中间温度的一种简便易行的控温方法。
样品在液面以上不同位置获得不同温度。
为正确反映样品的温度,通常要设计一个紫铜均温块,将温度计和样品与紫铜均温块进行良好的热接触。
紫铜块连结至一根不锈钢管,借助于不锈钢管进行提拉以改变温度。
本实验的恒温器设计综合上述两种基本方法,既能进行动态测量,也能进行定点的稳态测量,以便进行两种测量方法和测量结果的比较。
4.热电势及热电势的消除用四端子法测量样品在低温下的电阻时常会发现,即使没有电流流过样品,电压端也常能测量到几微伏至几十微伏的电压降。
而对于高Tc超导样品,能检测到的电阻常在10-5~10-1Ω之间,测量电流通常取1至100mA左右,取更大的电流将对测量结果有影响。
据此换算,由于电流流过样品而在电压引线端产生的电压降只在10-2~103μV之间,因而热电势对测量的影响很大,若不采取有效的测量方法予以消除,有时会将良好的超导样品误作非超导材料,造成错误的判断。
测量中出现的热电势主要来源于样品上的温度梯度。
为什么放在恒温器上的样品会出现温度的不均匀分布呢?这取决于样品与均温块热接触的状况。
若样品简单地压在均温块上,样品与均温块之间的接触热阻较大。
同时样品本身有一定的热阻也有一定的热容。
当均温块温度变化时,样品温度的弛豫时间与上述热阻及热容有关,热阻及热容的乘积越大,弛豫时间越长。
特别在动态测量情形,样品各处的温度弛豫造成的温度分布不均匀不能忽略。
即使在稳态的情形,若样品与均温块之间只是局部热接触(如不平坦的样品面与平坦的均温块接触),由引线的漏热等因素将造成样品内形成一定的温度梯度。
样品上的温差ΔT会引起载流子的扩散,产生热电势E。
E=SΔT (1)S是样品的微分热电势,其单位是μV·K-1。
对高Tc 超导样品热电势的讨论比较复杂,它与载流子的性质以及电导率在费密面上的分布有关,利用热电势的测量可以获知载流子性质的信息。
对于同时存在两种载流子的情况,它们对热电势的贡献要乘一权重,满足所谓Nordheim-Gorter法则。
B BA AS S S σσ+σσ= (2)式中SA 、SB 是A 、B 两种载流子本身的热电势,σA 、σB 分别为A 、B 两种载流子相应的电导率。
σ=σA +σB 。
材料处在超导态时,S=0。
为消除热电势对测量电阻率的影响,通常采取下列措施:(1) 对于动态测量。
应将样品制得薄而平坦。
样品的电极引线尽量采用直径较细的导线,例如直径小于0.1mm 的铜线。
电极引线与均温块之间要建立较好的热接触,以避免外界热量经电极引线流向样品。
同时样品与均温块之间用导热良好的导电银浆粘接,以减少热弛豫带来的误差。
另一方面,温度计的响应时间要尽可能小,与均温块的热接触要良好,测量中温度变化应该相对地较缓慢。
对于动态测量中电阻不能下降到零的样品,不能轻易得出该样品不超导的结论,而应该在液氮温度附近,通过后面所述的电流换向法或通断法检查。
(2) 对于稳态测量。
当恒温器上的温度计达到平衡值时,应观察样品两侧电压电极间的电压降及叠加的热电势值是否趋向稳定,稳定后可以采用如下方法。
① 电流换向法:将恒流电源的电流I反向,分别得到电压测量值UA 、UB ,则超导材料测电压电极间的电阻为I2|U U |R B A -= (4.4-3)② 电流通断法:切断恒流电源的电流,此时测电压电极间量到的电压即是样品及引线的积分热电势,通电流后得到新的测量值,减去热电势即是真正的电压降。
若通断电流时测量值无变化,表明样品已经进入超导态。
实验仪器1.低温恒温器实验用的恒温器如图(三)所示,均温块1是一块经过加工的紫铜块,利用其良好的导热性能来取得较好的温度均匀区,使固定在均温块上的样品和温度计的温度趋于一致。
铜套2的作用是使样品与外部环境隔离,减小样品温度波动。
提拉杆3采用低热导的不锈钢管以减少对均温块的漏热,经过定标的铂电阻温度计4及加热器5与均温块之间既保持良好的热接触又保持可靠的电绝缘。