實驗二-高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界電流的測量

1、實驗二 高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界電流的測量在各種新材料特性研究中，其電特性的研究占有相當(dāng)重要的地位，往往由此揭示新的物理規(guī)律和這些材料新的應(yīng)用前景.追溯超導(dǎo)電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷史，就是在著名低溫物理學(xué)家昂尼斯（K.Onnes, 1853-1926）的指導(dǎo)下，實現(xiàn)的氨的液化，達到4.2K這個當(dāng)時所能達到的最低溫度后，探索在所達到的新的低溫區(qū)內(nèi)各種金屬電阻變化規(guī)律，當(dāng)選用純汞作實驗時，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的下降，汞的電阻先是平緩地減小，而 1電阻/圖C.2.1汞的電阻與溫度關(guān)系在4.2K附近，電阻在很窄的溫區(qū)內(nèi)，突然降為零.如圖C.2.1所示.他把這種顯示零電阻特性的 物質(zhì)狀態(tài)定為“超導(dǎo)態(tài)”，該現(xiàn)象稱為“超導(dǎo)

2、電 性”.又如現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體，其基本特性的 揭示是和電阻-溫度關(guān)系的研究分不開的.而在低 溫測量中廣泛應(yīng)用的電阻溫度計，完全是建立在對各種類型材料的電阻-溫度關(guān)系研究的基礎(chǔ)上的.實驗?zāi)康? .掌握超導(dǎo)材料臨界溫度和臨界電流測試原理和方法.2 .測量反映高溫超導(dǎo)體基本特性.3 .利用電磁測量的基本手段來研究高溫超導(dǎo)體.儀器和用具1 一 1低溫裝置（包括真空玻璃杜瓦和測試探頭），數(shù)字電壓表2臺（分別為4-和5位的數(shù)2 2字電壓表），鉗電阻溫度計或銅-康銅溫差電偶，恒流源（100mA , 100 ）,直流穩(wěn)壓電源與標(biāo)準(zhǔn)電阻（100、1 Q）,高溫超導(dǎo)樣品，錮絲，銀引線（或細漆包線），液氮，直流

3、放大器.實驗原理1 .超導(dǎo)體的基本特性一一零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)材料有兩個不同于其他材料的最基本特性，即零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性 （也稱邁斯納效應(yīng)）.零電阻現(xiàn)象是指具有超導(dǎo)電性的材料，當(dāng)溫度下降時，其電阻隨溫度下降發(fā)生緩T圖C.2.2轉(zhuǎn)變寬度T慢的變化(一種是金屬性的材料， 其電阻緩慢下降；一種是顯示半導(dǎo)體性，其電阻緩慢升高)而當(dāng)?shù)竭_某一溫度時，其電阻在很窄的溫區(qū)內(nèi)，從Rn急劇地變?yōu)榱?，超?dǎo)體呈現(xiàn)零電阻現(xiàn)象.為描述電阻陡降的突變過程，可以定義如下幾個特征溫度：起始轉(zhuǎn)變溫度T起始是指電阻隨溫度的變化偏離線性的溫度；臨界溫度Tc是指電阻值下降到 Rn/2時所對應(yīng)的溫度，零電阻溫度TR 0為電阻剛

4、降至零時對應(yīng)的溫度，而把電阻變化1/10到9/10所對應(yīng)的溫度間隔定義為轉(zhuǎn)變寬度T,如圖C.2.2所示.超導(dǎo)體的另一個重要電磁特性是完全抗磁性，即所謂邁斯納效應(yīng). 不論超導(dǎo)體是先降溫到超導(dǎo)態(tài)再加磁場，還是先加磁場后降溫， 只要溫度低于零電阻溫度，置于磁場下超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度B都恒等于零，磁場被排斥到超導(dǎo)體外面，該現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng).該效應(yīng)是超導(dǎo)體區(qū)別于理想導(dǎo)體的獨有特性.由于磁感應(yīng)強度B和磁場強度H有如下關(guān)系：B 0 rH (1 Xm)M H(C.2.1)式中0為真空磁導(dǎo)率，r為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，Xm為磁化率.當(dāng)發(fā)生正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變時，.由1變到零，或者說磁化率由近于零變到-1,從而使超

5、導(dǎo)體內(nèi)部 B=0.如果把超導(dǎo)體材料作成線圈的芯子，則線圈自感L和介質(zhì)的磁導(dǎo)率的關(guān)系如下：.2L r 0n V(C.2.2)式中n為線圈單位長度的匝數(shù)， V為線圈的體積，可見當(dāng)發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時，磁導(dǎo)率 發(fā)生 變化，線圈的電感量也變化.利用超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時，線圈電感量變化來測量臨界溫度的方法，稱 為電感法.1 .臨界電流當(dāng)通過超導(dǎo)線的電流超過一定的數(shù)值后，超導(dǎo)態(tài)便被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，該電流Ic稱-0a "VV圖C.2.3四引線法為超導(dǎo)體的臨界電流.當(dāng)電流超過一定值后，所以能 引起超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)化，其根本原因是由于電流 所產(chǎn)生的磁場(自場)超過臨界磁場引起的.各超導(dǎo) 體臨界電流的大小，除和超

6、導(dǎo)材料組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)外， 對同一種超導(dǎo)材料而言，與其截面積的大小和形狀有關(guān).C.2.3所示，其中兩2 .測量方法及參考方案電阻法測臨界電流最常用的方法是四引線法.四引線法示意圖如圖端的電流引線與恒流源相連，用以檢測超導(dǎo)樣品的電壓.當(dāng)產(chǎn)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時，其電壓降為零.采用四引線法的優(yōu)點在于能夠避免引線及接點電阻所引入的測量誤差.由于數(shù)字電壓表的輸入阻抗很高，所以引線的接點的接觸電阻均可忽略.用四引線法測超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的原理簡圖如圖C.2.4所示.圖中溫度測量是用銅-康銅溫差電偶，也可采用鉗電阻溫度計，鉗電阻溫度計電阻的對應(yīng)關(guān)系見文獻用銅-康銅溫差電偶，則必須利用鉗電 阻溫度計在所使用的溫區(qū)（即77K室

7、溫）對銅-康銅溫差電偶進行定 標(biāo).通過樣品的電流在毫安量級.實驗中采用的低溫裝置是一種簡易的真空玻璃杜瓦瓶，內(nèi)盛液氮，低 溫可到達液氮溫度.超導(dǎo)樣品和測量3所附分度值表.如圖C.2.4四引線法測量TC裝置的示意圖用鉗電阻溫度計或銅 -康銅溫差電偶 安裝在測試探頭上，如圖 C.2.5所示.當(dāng)把測試探頭浸入液氮并達到熱平衡時，恒溫紫銅塊、超導(dǎo)樣品和溫度計均達到液氮溫度.提升探頭至液氮以上，恒溫紫銅 塊和超導(dǎo)樣品同步逐漸升溫，可測出超導(dǎo)樣品輸出電壓隨溫度的變化曲線.本實驗所用的高溫超導(dǎo)樣品是采用燒結(jié)工藝制備的多晶超導(dǎo)塊材料，其結(jié)構(gòu)式為Yba2Cu3O7-，式中8為與超導(dǎo)樣品氧含量有關(guān)的系數(shù)，樣品的轉(zhuǎn)

8、變溫度約為92K左右，由于該樣品無法用焊接法直接引出引線，四引線發(fā)的四根引線是用錮絲將細銀絲粘壓在高溫超導(dǎo)樣品表面，然后再焊在接線片上.所有引線均由德銀管引出與德銀管上端的接線插座相連， 并由接頭接到測量電路.臨界電流的測量線路也可用圖 C.2.4說明，即只要把圖C.2.4中的恒流源改用輸出電壓可 調(diào)的穩(wěn)壓電源，毫安表改用額定電流為數(shù)安培的取樣電阻就可以了.改變穩(wěn)壓電源的輸出電壓，即可改變電流，直到樣品發(fā)生超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變. 本實驗只要求測出液氮溫區(qū)的臨 界電流.電路、儀器的配置和參數(shù)的選擇由同學(xué)自己考慮選取.若采用磁測量法測轉(zhuǎn)變溫度，可參閱 本實驗后所附參考文獻，自己組裝測量 和調(diào)試測量

9、裝置.在科研工作中，由于 研究工作的需要，往往要根據(jù)或參考別 人的文獻，并根據(jù)自己所需解決的問題 和儀器設(shè)備條件，加以適當(dāng)?shù)母倪M，實 現(xiàn)測量，這也是科研能力的訓(xùn)練.在以上測試中由于要用到低溫容器 與液氮，使用中必須注意遵守下列安全 規(guī)則：圖C.2.5低溫裝置圖1.真空玻璃杜瓦；2.德銀管；3.外套筒；4.超導(dǎo)樣品；5.恒溫紫銅塊；6.液氮；7.鉗電阻溫度計；8.接線片.1 .所有盛放在低溫液氮的容器都必 須留有供蒸發(fā)氣體逸出的孔道，以免容器內(nèi)壓力過大引起事故.2 .液氮灌入玻璃杜瓦時， 應(yīng)緩慢灌入，避免驟冷引起杜瓦的破裂. 灌注液氮采用專用液 氮灌注器.3 .實驗中注意不要讓液氮觸及裸露的皮膚

10、特別是眼睛，以免造成嚴(yán)重的凍傷.4 .使用液氮時，室內(nèi)應(yīng)保持空氣通暢， 防止液氮的大量蒸發(fā)造成室內(nèi)缺氧.因為氧含量低于14%15%,會引起人的昏厥.實驗內(nèi)容1.高溫超導(dǎo)樣品的準(zhǔn)備本實驗提供的高溫超導(dǎo)樣品，是用一般陶瓷燒結(jié)工藝制備的，先按照1: 2: 3的理想配比，將氧化鈕、氧化銅和碳酸鋼的分析純粉末混合，然后經(jīng)過研磨、預(yù)燒、壓片和燒結(jié)等工藝制成直徑為12mm、厚度為1mm的超導(dǎo)圓片，結(jié)構(gòu)式為 Yba2Cu3O7-s.經(jīng)切割后成為2mmX1mm截面的條形試樣.粘壓引線的方法如下：把從錮絲上切割下的錮粒新鮮面用削尖的竹簡壓貼在試樣的表面， 銀引線的一端置于壓貼好的新鮮錮面上，上端再用新鮮的錮粒面壓貼固定，這樣可形成良好的歐姆接觸.可用萬用表檢查接點是否良好.2用四引線法測量高溫超導(dǎo)樣品的臨界溫度，求出幾個特征溫度.根據(jù)提供的測試儀器和設(shè)備，決定測量方案和測試線路，選擇測量參數(shù)和操作步驟，完成測量.3 .測量所提供樣品的臨界電流，計算臨界電流密度.4 .參閱參考文獻，用磁測量法測量臨界溫度，同學(xué)也可根據(jù)邁斯納效應(yīng)的特點，設(shè)計其他觀察研究邁斯納效應(yīng)的實驗方法參考文獻1 章立源等超導(dǎo)物理北京：電子工業(yè)