超導(dǎo)材料的電磁特性

會(huì)計(jì)學(xué)1超導(dǎo)材料的電磁特性二、實(shí)驗(yàn)原理1、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和邁斯納效應(yīng)

某些材料被冷卻到極低溫度時(shí)呈現(xiàn)出異乎尋常的電、磁綜合特性。所謂極低溫度是由荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(H.K.0nnes)于1908年利用液氦所能達(dá)到的極低溫度。3年后,1911年他發(fā)現(xiàn)純汞(Hg)的電阻在這樣低的溫度下(約4.2K),小到了無(wú)法測(cè)量的程度。在這一溫度下,汞的電阻不是平穩(wěn)地下降,而是急劇下降,當(dāng)?shù)陀谶@一溫度時(shí),汞便完全不顯示電阻了,見(jiàn)圖8-3-1。昂尼斯認(rèn)識(shí)到,汞在4.2K以下時(shí)便進(jìn)入一種新的狀態(tài),這種新的狀態(tài)稱(chēng)為“超導(dǎo)態(tài)”。相應(yīng)的物質(zhì)(如Hg)稱(chēng)為超導(dǎo)體,后來(lái)發(fā)現(xiàn)許多金屬及其化合物都具有超導(dǎo)電性。超導(dǎo)體失去電阻的溫度稱(chēng)為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度,用Tc表示。第1頁(yè)/共15頁(yè)

至1973年人們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的是Nb3Ge,臨界溫度為23K,從此以后一直沒(méi)有進(jìn)展。1986年1月IBM公司在瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的兩名研究員(Bednorz和M?ller)發(fā)現(xiàn)了30K的超導(dǎo)材料。這種材料是一種氧化銅和釔加少量鋇和鍶、或鈣的陶瓷材料,以此為基礎(chǔ),在國(guó)際上開(kāi)始了高臨界溫度超導(dǎo)材料的研究熱潮，1986年底便把超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度提高到了88K,首次突破使用液氮溫度(77K)的大關(guān)。這兩名研究員為此獲得1987年諾貝爾物理獎(jiǎng)。第2頁(yè)/共15頁(yè)

邁斯納和奧斯菲爾德在1933年研究處于超導(dǎo)態(tài)樣品體內(nèi)的磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，不論是先降溫使樣品進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)再加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)再降溫，當(dāng)樣品處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零，磁感應(yīng)線完全被排出體外。即B=B0+μ0M=0。由此求得金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為χ=μ0M/B0=1,是負(fù)值。以上B0是外加磁場(chǎng)H在真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。所以說(shuō),超導(dǎo)體是一個(gè)“完全抗磁體”，超導(dǎo)體的完全抗磁性稱(chēng)為邁斯納效應(yīng)。第3頁(yè)/共15頁(yè)意義：（1）由于超導(dǎo)態(tài)的完全抗磁性與怎樣進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的歷史無(wú)關(guān)，說(shuō)明超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡態(tài)。（2）超導(dǎo)態(tài)的完全抗磁性是獨(dú)立于零電阻特性的另一特性，不可能從零電阻特性派生出完全抗磁性。超導(dǎo)態(tài)不是普通意義下的理想導(dǎo)體，完全抗磁性和零電阻特性是超導(dǎo)態(tài)兩個(gè)獨(dú)立的基本特性。第4頁(yè)/共15頁(yè)2、關(guān)于超導(dǎo)態(tài)現(xiàn)象的兩種唯象模型1)、二流體模型二流體模型是1934年為了解釋超導(dǎo)體的熱力學(xué)特性提出來(lái)的。該模型認(rèn)為超導(dǎo)體內(nèi)的傳導(dǎo)電子可分成兩類(lèi)：正常的傳導(dǎo)電子和超導(dǎo)電子(或超流電子)。正常傳導(dǎo)電子就是普遍意義下的自由電子，超導(dǎo)電子則是特殊狀態(tài)下的電子，超導(dǎo)電子處在一種“凝聚”狀態(tài)，它們聚集在一最低能量狀態(tài)，其特點(diǎn)是不發(fā)生散射。該模型認(rèn)為:兩類(lèi)電子占據(jù)同一體積，互相滲透，彼此獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)，超導(dǎo)電子濃度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)定律為

ns=n[1-(T/Tc)4]

式中n是正常電子和超導(dǎo)電子的總濃度。ns為超導(dǎo)電子濃度。當(dāng)T=0K時(shí)，ns=n，所有電子都變成超導(dǎo)電子；隨著溫度的升高，超導(dǎo)電子減少；當(dāng)T=Tc時(shí),ns=0，所有電子都變成正常電子。可把ns/n作為有序化程度的一個(gè)量度,稱(chēng)之為有序參量或有序度。二流體模型可以說(shuō)明零電阻特性。當(dāng)T<Tc時(shí)超導(dǎo)電子出現(xiàn)，由于它們不被散射，因而具有無(wú)限大的電導(dǎo)率；金屬內(nèi)不能存在電場(chǎng)，正常電子不負(fù)載電流，從而導(dǎo)致整個(gè)樣品顯示無(wú)限大的電導(dǎo)率。第5頁(yè)/共15頁(yè)2)、倫敦方程（留作自學(xué)）第6頁(yè)/共15頁(yè)超導(dǎo)體的分類(lèi)：臨界磁場(chǎng)：實(shí)驗(yàn)表明，磁場(chǎng)可以破壞超導(dǎo)性。把處于超導(dǎo)態(tài)(T<Tc)的樣品置于磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)大于某個(gè)臨界值Hc(T)時(shí)，樣品將恢復(fù)到正常態(tài)。稱(chēng)這個(gè)保持保持超導(dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)為臨界磁場(chǎng)Hc(T)。實(shí)驗(yàn)表明Hc(T)與溫度有關(guān)，可由如下的經(jīng)驗(yàn)公式描述：Hc(T)=Hc(0)[1-(T/Tc)2]式中Hc(0)為T(mén)=0時(shí)的臨界磁場(chǎng)，顯然有Hc(Tc)=0。按照臨界磁場(chǎng)的數(shù)目，可把超導(dǎo)體分為兩類(lèi)：只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)的稱(chēng)為第一類(lèi)超導(dǎo)體，它們?cè)诔瑢?dǎo)態(tài)具有完全抗磁性和零電阻性；有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)的稱(chēng)為第二類(lèi)超導(dǎo)體，它們?cè)赥<Tc,H<Hc1時(shí)處于超導(dǎo)態(tài)，H>Hc2時(shí)處于正常態(tài)，當(dāng)Hc1(T)<H<Hc2(T)時(shí)處于一種混合態(tài)，此態(tài)中具有零電阻特性，但不具備完全抗磁性。第7頁(yè)/共15頁(yè)

三、實(shí)驗(yàn)儀器與裝置第8頁(yè)/共15頁(yè)

HT288型高Tc超導(dǎo)體電阻-溫度特性測(cè)量?jī)x主要用于高Tc超導(dǎo)材料的電阻-溫度特性測(cè)量與處理,亦可用于其它樣品電阻-溫度特性測(cè)量。它由安裝了樣品的低溫恒溫器，測(cè)、控溫系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理系統(tǒng)以及電腦組成。通過(guò)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換,既可進(jìn)行動(dòng)態(tài)法測(cè)量，也可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)法測(cè)量。動(dòng)態(tài)法測(cè)量時(shí)可分別進(jìn)行不同電流方向的升溫和降溫測(cè)量，以觀察和檢測(cè)因樣品和溫度計(jì)之間的動(dòng)態(tài)溫差造成的測(cè)量誤差以及樣品及測(cè)量回路熱電勢(shì)給測(cè)量帶來(lái)的影響。動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)本機(jī)處理后直接進(jìn)入電腦X一Y記錄儀顯示、處理或打印輸出，穩(wěn)態(tài)法測(cè)量結(jié)果經(jīng)由鍵盤(pán)輸入計(jì)算機(jī),作出R-T特性曲線，供分析處理或打印輸出。第9頁(yè)/共15頁(yè)儀器工作原理圖8-3-5為本機(jī)工作的原理示意。圖中所示的低溫度恒溫器用導(dǎo)熱性能良好的紫銅制成，超導(dǎo)樣品及半導(dǎo)體溫度傳感器置于其上,并形成良好的熱接觸。加熱器是為穩(wěn)態(tài)法測(cè)量而設(shè)置的。當(dāng)?shù)蜏囟群銣仄魈幱谝旱谢蛞旱好嬉陨喜煌恢脮r(shí)，低溫恒溫器的溫度將有相應(yīng)的變化。按典型的四端子法聯(lián)接的樣品及溫度傳感器分別聯(lián)接至各自的恒流源和放大器，以減小測(cè)量誤差。數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集、處理傳輸系統(tǒng)送入電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算并在顯示器上顯示。儀器內(nèi)安裝有自動(dòng)控溫系統(tǒng)。它由比較器、溫度設(shè)定器、PID控制器及加熱功率控制器等部分組成。穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)將所設(shè)定的溫度值顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)自動(dòng)調(diào)整加熱功率，使溫度平衡。第10頁(yè)/共15頁(yè)

四、實(shí)驗(yàn)操作方法與步驟

1、準(zhǔn)備工作將液氮注入液氮杜瓦瓶,再將裝有測(cè)量樣品的低溫恒溫器浸入液氮，固定于支架上，并用電纜連接至HT288測(cè)量?jī)x“恒溫器輸入”端，再用通訊電纜將測(cè)量?jī)x與計(jì)算機(jī)串行口l聯(lián)接。

2、開(kāi)啟儀器開(kāi)啟測(cè)量?jī)x器電源，電腦電源，待系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊電腦屏幕上的“數(shù)據(jù)采集”圖標(biāo)，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集工作程序，電腦屏幕顯示“HT288型超導(dǎo)體電阻一溫度特性測(cè)量?jī)x”，右下角“接口工作狀態(tài)”欄交替山現(xiàn)閃爍的“接收”、“發(fā)送”“處理”字樣，表示儀器與電腦工作正常。3、動(dòng)態(tài)測(cè)量將“動(dòng)態(tài)測(cè)量/穩(wěn)態(tài)測(cè)量”開(kāi)關(guān)撥至“動(dòng)態(tài)測(cè)量”，系統(tǒng)進(jìn)入動(dòng)態(tài)測(cè)量模式。

第11頁(yè)/共15頁(yè)動(dòng)態(tài)自動(dòng)測(cè)量撥動(dòng)“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)，選擇自動(dòng)工作模式，“自動(dòng)”指示燈亮，“正向/反向”指示燈交替閃爍，表示系統(tǒng)已開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。在電腦顯示器右部“工作參數(shù)”欄“樣品電流方向”交替顯示“正向”和“反向”字樣。提升裝有樣品的低溫恒溫器，使其脫離液氮液面，溫度將逐漸升高，此時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上逐點(diǎn)描出兩條電壓一溫度特性曲線，紅色的一條表示正向電壓降，藍(lán)色的一條表示反向電壓降，在屏幕右邊“工作參數(shù)”區(qū)域同時(shí)顯示相應(yīng)的工作參數(shù)值。其含義如下:

計(jì)數(shù):表示數(shù)據(jù)采集開(kāi)始后所有采集到的有效數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)值；樣品當(dāng)前溫度:表示低溫恒溫器溫度傳感器所測(cè)到的恒溫器當(dāng)前溫度值，單位為K。若溫度變化緩慢，此溫度值與樣品溫度值的誤差,可以被忽略，因此該溫度值即為樣品溫度值；樣品正向電壓值:表示當(dāng)流過(guò)樣品的電流為正向時(shí)所測(cè)得的樣品兩端的電壓降數(shù)值，單位為mV；

第12頁(yè)/共15頁(yè)樣品反向電壓值:表示當(dāng)流過(guò)樣品的電流為反向時(shí)所測(cè)得的樣品兩端的電壓降數(shù)值，單位為mV；樣品電流值:表示正向和反向流過(guò)樣品的電流的平均值，單位為mA；光標(biāo)指示值：按下“光標(biāo)移動(dòng)”鍵時(shí),可見(jiàn)一個(gè)大“十”字形光標(biāo)隨之移動(dòng)，交點(diǎn)處水平方向的數(shù)值為光標(biāo)指示溫度值，單位為K，而垂直方向的數(shù)值為光標(biāo)指示電壓值，單位為mV。改變恒溫器與液面的距離，可以獲得不同變化速率的升降溫特性曲線。4、退出測(cè)量按鍵盤(pán)上的ESC鍵，按提示輸入文件名(缺省名為HT288C.TXT),確認(rèn)后退出。

5、數(shù)據(jù)處理點(diǎn)擊電腦顯示屏“數(shù)據(jù)處理”圖標(biāo)，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理工作程序，按菜單操作。第13頁(yè)/共15頁(yè)

五、思考與討論1.超導(dǎo)體分幾類(lèi),有幾種狀態(tài)?各是什么狀態(tài)?2.測(cè)量電流為什么必