高溫超導實驗

1、超導物理基礎超導物理基礎高溫超導實驗陳銘南超導特性發(fā)現(xiàn)于超導特性發(fā)現(xiàn)于1911年：年：4.2Kl臨界溫度提高很慢：75年后達23.2K.1988年：110K（2年：100度）1989年中國科技大學劉宏寶研制的超導材料達130K1993年3月北大郭建棟教授，制備成功了134K樣品目前超導體的臨界溫度約150K超導基本特性：超導基本特性：l從材料區(qū)分：低溫超導材料（液氦溫區(qū)）：金屬。高溫超導（液氮溫區(qū)）：高溫氧化物超導體。l超導基本特性：l1.零電阻特性超導體零電阻觀察與測量：（1）一超導環(huán)置一磁場中，然后冷卻使之轉(zhuǎn)變成超導態(tài)，快速撤去磁場。產(chǎn)生感應電流。零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象l2.使樣品通一恒定電

2、流，測量其阻值隨溫度變化。測阻（難）與測溫。.1025. 075. 0.,.,:/),/exp()0(萬年超導環(huán)衰減時間大于推出衰減時間變化量超導電流形成的磁場可通過核磁共振方法測正常金屬很小是電流衰減時間常數(shù)）ZrNbRLtItI定義：通常把外部條件(磁場、電流、應力等）維持在足夠低值時電阻突然變?yōu)榱愕臏囟确Q為超導臨界溫度TC。液氮溫區(qū)高溫超導體特性液氮溫區(qū)高溫超導體特性1.零電阻率（現(xiàn)象）：相變:電阻、磁化率、熱電勢、比熱容、熱導率等都有明顯的變化。 臨界溫度Tc以下電阻為零。 由正常態(tài)向超導態(tài)過度稱轉(zhuǎn)變寬度：Tc. Tc：取決于材料的純度和晶格的完整性。 理想樣品的Tc K310完全抗磁

3、性：邁斯納（完全抗磁性：邁斯納（Meissner)效應效應l問題：先降溫？先加磁場？l理想導體：在磁場下降溫，磁通不變。l超導體：與過程無關。l僅僅沒有電阻的假想金屬稱做理想導體。l超導體置于外加磁場時，磁通不能穿透。l超導體內(nèi)磁感應強度始終為零（B=0）邁斯納（邁斯納（Meissner)效應效應:l完全抗磁性是獨立于零電阻特性的基本屬性。l零電阻特性是邁斯納（Meissner)效應的必要條件。l磁懸浮實驗演示：l難以給出定量結果。l抗磁性：需測量樣品的磁化率隨溫度的關系。超導物理理論基礎超導物理理論基礎:l二流體模型和倫敦方程:自由電子氣部分“凝聚”:粗糙lBCS理論:電子庫柏對.不能解釋3

4、0K以上超導現(xiàn)現(xiàn)象.(金屬30K為禁區(qū)).二流體模型二流體模型:(低溫超導低溫超導)l二流體模型和倫敦方程:l自由電子氣：相變。l速度“凝聚”l電子比熱容比：正常態(tài)（線性），超導態(tài)：指數(shù)變化。l倫敦第一方程：零電阻l倫敦第二方程：邁斯納效應BCS理論理論:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)l理論高深的量子力學和許多數(shù)學知識。l兩個電子電子庫柏對超導電流。l晶格振動的熱運動拆散庫柏對l不能解釋30K以上超導現(xiàn)現(xiàn)象.(金屬：30K為禁區(qū)).國際制冷學會（國際制冷學會（IIR）1971年：年：l對0以下稱為低溫，溫區(qū)進行劃分（向全世界建議）：l T120K 為冷凍溫區(qū)l120KT

5、0.3K 為低溫溫區(qū)l T120K） l1.基于相變原理的制冷:R12:-30,R14:-128.電冰箱,空調(diào)等.l2.電制冷:利用半導體材料的珀爾帖效應,可以取得制冷效果.醫(yī)學,生物學:降溫帽,白內(nèi)障摘除器等.二二.低溫溫區(qū)的主要制冷手段低溫溫區(qū)的主要制冷手段:（ 120KT0.3K ）l1.等焓節(jié)流:80K左右.l2.等熵膨脹-等焓節(jié)流:20K:液態(tài)氫,4.2K的液態(tài)氦.l3.對低溫液體抽氣降溫.例如:液氦:0.8K,0.3K.三三.超低溫溫區(qū)的獲得超低溫溫區(qū)的獲得:（ T0.3K ）l1.磁制冷:0.001K核自旋去磁:510-8K.l2.帕末朗丘克制冷(Pomeran-Chuk):0.

6、001Kl3.3He-4He稀釋制冷.幾種常用的溫度計幾種常用的溫度計l 溫 度 計 測溫屬性l定容氣體溫度計 壓強l定壓氣體溫度計 體積l鉑電阻半導體溫度計 電阻l熱電偶溫度計 熱電動勢l液體溫度計 液柱長度液體溫度計測溫范圍液體溫度計測溫范圍l液體 溫度測量范圍l水銀 -30+300l酒精 -80 80l甲苯 -80+110l乙醇 -80+80l煤油 0+300l石油醚 -120+20鉑電阻、半導體、熱電偶溫度計鉑電阻、半導體、熱電偶溫度計l鉑電阻：在63K到室溫具有線性關系，電阻正比于溫度。不嚴格逞線性。（查公式與表）l半導體：有正、負兩種溫度系數(shù)。大部分溫區(qū)中，具有負的溫度系數(shù)（與金屬

7、不同）。溫度越高電阻越低。l不同材料半導體：硅、鍺、碳、滲碳玻璃電阻、熱敏電阻等。溫-阻關系不同，不同溫區(qū)不同。l塞貝克效應：由兩種不同金屬連接，兩接點在不同溫度下(參考點)，形成熱電偶電動勢。高溫氧化物超導體特性高溫氧化物超導體特性l1.高溫超導材料正常態(tài)電阻率在很大溫度范圍內(nèi)逞線性關系.l2.霍爾系數(shù) 隨溫度的上升而單調(diào)下降.l3.超導能隙的各向異性l4.電子-電子關聯(lián)性:可能是高溫超導的主要支配原因neHR1高溫超導材料的研制高溫超導材料的研制l1.機械熱加工法.l2.混合法.l3.照射法:放射性照射,改善超導特性l4.蒸氣淀積法l5.脈沖準分子激光法液氮特性：液氮特性：l液氮:沸點77

8、.36K、進出注意事項、樣品與液氮。l液氮不能完全密封：漏熱升溫升壓l防止凍傷.l運輸與安放.高溫超導儀：高溫超導儀：l低溫恒溫器（樣品室）：l樣品研制：高溫燒結與碾磨、樣品安裝：四端接法：金屬銦壓接。l樣品溫度。測溫與控溫：測溫與控溫：l鉑電阻溫度計、硅二極管溫度計測溫:l銅-康銅溫差電偶：需有一參考端，伸入液氮浸沒。實驗中有兩個：一個為液面計；另一個為溫度計。l25歐姆錳銅加熱器線圈的紫銅恒溫塊:導熱性能好.鉑電阻和硅二極管測量：鉑電阻和硅二極管測量：l單一恒流源。四端接法、標準電阻。測電壓. 鉑：標準電阻100歐姆，恒流1mA,內(nèi)置10uv,4 數(shù)字表(已經(jīng)標定:公式l硅二極管：標準電阻

9、10K歐姆，恒流100uA，內(nèi)置100uv,4 數(shù)字表。l測量確定紫銅恒溫塊的溫度。四引線法測量超導樣品電阻四引線法測量超導樣品電阻l恒流源: l樣品電壓：標準電阻：l為消除亂真電動勢,設立電流反向開關.l外接靈敏度為1uv的51/2直流數(shù)字電壓表：測量標準電阻和樣品上的電壓.,/nRnUxUxRnRnUI溫差熱電偶溫差熱電偶l定點液面計-溫差熱電偶l實驗中有兩個：一個為液面計；另一個為溫度計。l參考點：同在液氮中，作液面計的另一端在紫銅恒溫塊與下檔板中間。作溫度計的另一端在紫銅恒溫塊上。電控制儀：電控制儀：l19芯連接電纜。l恒流、四端接法、標準電阻、鉑電阻、半導體二極管（硅管）、熱電偶、測

10、溫與控溫（加熱器）、四位半數(shù)字表。實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容l測量室溫.-鉑與硅二極管.l安裝低溫恒溫器:液氮倒入:多少?怎樣倒?以下檔板剛好接觸液面計為準.l使樣品下降至液面計指示為零:熱電偶無溫差.:高度.l測量溫度與樣品電勢.:降溫速率控制.開始:可約每5分鐘測量一次,超導轉(zhuǎn)變時可約每0.5分鐘測一次.l樣品電阻為零時,正反向應一致.確定起始與作業(yè)作業(yè):l 1.金屬低溫超導理論中,最基本的出發(fā)點是什么?試用BCS理論及二流體模型解釋超導電性.l2.超導磁懸浮是什么效應的直接結果?試描述上海磁懸浮列車工作原理.l3.超導樣品的國際與國內(nèi)研制近況如何？超導應用超導應用:l一.強電磁方面的應用l(1)磁

11、懸浮列車(2)磁流體發(fā)電(3)超導磁分離技術l二.弱電磁方面的應用l(1)超導磁梯度計對人腦功能的研究(2)超導計算機(3)超導重力儀測量注意事項測量注意事項:l所有測量必須在同一次降溫過程中完成.l恒流源不可開路,穩(wěn)壓電源不可短路.l在總電源打開前:各分電源均應處在斷開狀態(tài).加熱器的電壓應處于零.l實驗結束,樣品拉桿移出低溫容器,液氮需回收.結束！超導體臨界溫度測試超導體臨界溫度測試l1911年荷蘭物理學家卡麥林翁納斯發(fā)現(xiàn)：l水銀稍低于4.2K時,其電阻急劇地下降到0.l超導電性的兩個最基本特征:l1.以零電阻為特征的金屬態(tài)命名:超導態(tài).l2.磁通密度為0,完全抗磁性(Meissner效應)

12、常用低溫溫度計常用低溫溫度計:l1.實用溫度計: 鉑,半導體,P-N二極管,熱電偶等.l2.熱力學溫度計:定容氣體溫度計.l3.半熱力學溫度計:蒸汽壓溫度計.l例:1.鉑,半導體、熱電偶溫度計l 2.西蒙氣體溫度計l 3.蒸汽壓溫度計PTVTVVTVVpVpVppVVTTPTTPTPPaPPaPaTTnRTVPTVPTPVTPV11,)()(1)(1)()1 (0000000000000000令常數(shù)熱電偶溫度計熱電偶溫度計l湯姆孫效應：同一種金屬，兩端有溫度差，電子云在溫度不均勻時的熱擴散形成電動勢。外加電流，可有吸熱與放熱l珀耳帖效應：兩種不同金屬接觸面處，由不同金屬的自由電子的數(shù)密度不同形成電動勢。l塞貝克效應：由兩種不同金屬連接，兩接點在不同溫度