超導材料的電磁特性

會計學1超導材料的電磁特性二、實驗原理1、超導轉(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家昂尼斯(H.K.0nnes)于1908年利用液氦所能達到的極低溫度。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),小到了無法測量的程度。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?shù)陀谶@一溫度時,汞便完全不顯示電阻了,見圖8-3-1。昂尼斯認識到,汞在4.2K以下時便進入一種新的狀態(tài),這種新的狀態(tài)稱為“超導態(tài)”。相應(yīng)的物質(zhì)(如Hg)稱為超導體,后來發(fā)現(xiàn)許多金屬及其化合物都具有超導電性。超導體失去電阻的溫度稱為超導轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度,用Tc表示。第1頁/共15頁

至1973年人們發(fā)現(xiàn)超導轉(zhuǎn)變溫度最高的是Nb3Ge,臨界溫度為23K,從此以后一直沒有進展。1986年1月IBM公司在瑞士蘇黎士實驗室的兩名研究員(Bednorz和M?ller)發(fā)現(xiàn)了30K的超導材料。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),在國際上開始了高臨界溫度超導材料的研究熱潮，1986年底便把超導材料的轉(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。第2頁/共15頁

邁斯納和奧斯菲爾德在1933年研究處于超導態(tài)樣品體內(nèi)的磁場時發(fā)現(xiàn)，不論是先降溫使樣品進入超導態(tài)再加磁場，還是先加磁場再降溫，當樣品處于超導態(tài)時，體內(nèi)的磁感應(yīng)強度總是等于零，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電狀態(tài)的磁化率為χ=μ0M/B0=1,是負值。以上B0是外加磁場H在真空中的磁感應(yīng)強度。所以說,超導體是一個“完全抗磁體”，超導體的完全抗磁性稱為邁斯納效應(yīng)。第3頁/共15頁意義：（1）由于超導態(tài)的完全抗磁性與怎樣進入超導態(tài)的歷史無關(guān)，說明超導態(tài)是一個熱力學平衡態(tài)。（2）超導態(tài)的完全抗磁性是獨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。超導態(tài)不是普通意義下的理想導體，完全抗磁性和零電阻特性是超導態(tài)兩個獨立的基本特性。第4頁/共15頁2、關(guān)于超導態(tài)現(xiàn)象的兩種唯象模型1)、二流體模型二流體模型是1934年為了解釋超導體的熱力學特性提出來的。該模型認為超導體內(nèi)的傳導電子可分成兩類：正常的傳導電子和超導電子(或超流電子)。正常傳導電子就是普遍意義下的自由電子，超導電子則是特殊狀態(tài)下的電子，超導電子處在一種“凝聚”狀態(tài)，它們聚集在一最低能量狀態(tài)，其特點是不發(fā)生散射。該模型認為:兩類電子占據(jù)同一體積，互相滲透，彼此獨立地運動，超導電子濃度關(guān)系的經(jīng)驗定律為

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

式中n是正常電子和超導電子的總濃度。ns為超導電子濃度。當T=0K時，ns=n，所有電子都變成超導電子；隨著溫度的升高，超導電子減少；當T=Tc時,ns=0，所有電子都變成正常電子?？砂裯s/n作為有序化程度的一個量度,稱之為有序參量或有序度。二流體模型可以說明零電阻特性。當T<Tc時超導電子出現(xiàn)，由于它們不被散射，因而具有無限大的電導率；金屬內(nèi)不能存在電場，正常電子不負載電流，從而導致整個樣品顯示無限大的電導率。第5頁/共15頁2)、倫敦方程（留作自學）第6頁/共15頁超導體的分類：臨界磁場：實驗表明，磁場可以破壞超導性。把處于超導態(tài)(T<Tc)的樣品置于磁場中，當磁場大于某個臨界值Hc(T)時，樣品將恢復到正常態(tài)。稱這個保持保持超導態(tài)的最小磁場為臨界磁場Hc(T)。實驗表明Hc(T)與溫度有關(guān)，可由如下的經(jīng)驗公式描述：Hc(T)=Hc(0)[1-(T/Tc)2]式中Hc(0)為T=0時的臨界磁場，顯然有Hc(Tc)=0。按照臨界磁場的數(shù)目，可把超導體分為兩類：只有一個臨界磁場的稱為第一類超導體，它們在超導態(tài)具有完全抗磁性和零電阻性；有兩個臨界磁場的稱為第二類超導體，它們在T<Tc,H<Hc1時處于超導態(tài)，H>Hc2時處于正常態(tài)，當Hc1(T)<H<Hc2(T)時處于一種混合態(tài)，此態(tài)中具有零電阻特性，但不具備完全抗磁性。第7頁/共15頁

三、實驗儀器與裝置第8頁/共15頁

HT288型高Tc超導體電阻-溫度特性測量儀主要用于高Tc超導材料的電阻-溫度特性測量與處理,亦可用于其它樣品電阻-溫度特性測量。它由安裝了樣品的低溫恒溫器，測、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。通過開關(guān)轉(zhuǎn)換,既可進行動態(tài)法測量，也可進行穩(wěn)態(tài)法測量。動態(tài)法測量時可分別進行不同電流方向的升溫和降溫測量，以觀察和檢測因樣品和溫度計之間的動態(tài)溫差造成的測量誤差以及樣品及測量回路熱電勢給測量帶來的影響。動態(tài)測量數(shù)據(jù)經(jīng)本機處理后直接進入電腦X一Y記錄儀顯示、處理或打印輸出，穩(wěn)態(tài)法測量結(jié)果經(jīng)由鍵盤輸入計算機,作出R-T特性曲線，供分析處理或打印輸出。第9頁/共15頁儀器工作原理圖8-3-5為本機工作的原理示意。圖中所示的低溫度恒溫器用導熱性能良好的紫銅制成，超導樣品及半導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)法測量而設(shè)置的。當?shù)蜏囟群銣仄魈幱谝旱谢蛞旱好嬉陨喜煌恢脮r，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)送入電子計算機運算并在顯示器上顯示。儀器內(nèi)安裝有自動控溫系統(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)測量時將所設(shè)定的溫度值顯示在計算機屏幕上，同時自動調(diào)整加熱功率，使溫度平衡。第10頁/共15頁

四、實驗操作方法與步驟

1、準備工作將液氮注入液氮杜瓦瓶,再將裝有測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測量儀“恒溫器輸入”端，再用通訊電纜將測量儀與計算機串行口l聯(lián)接。

2、開啟儀器開啟測量儀器電源，電腦電源，待系統(tǒng)啟動完成后，用鼠標點擊電腦屏幕上的“數(shù)據(jù)采集”圖標，進入數(shù)據(jù)采集工作程序，電腦屏幕顯示“HT288型超導體電阻一溫度特性測量儀”，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、動態(tài)測量將“動態(tài)測量/穩(wěn)態(tài)測量”開關(guān)撥至“動態(tài)測量”，系統(tǒng)進入動態(tài)測量模式。

第11頁/共15頁動態(tài)自動測量撥動“自動/手動”開關(guān)，選擇自動工作模式，“自動”指示燈亮，“正向/反向”指示燈交替閃爍，表示系統(tǒng)已開始采集數(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，此時在計算機屏幕上逐點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)域同時顯示相應(yīng)的工作參數(shù)值。其含義如下:

計數(shù):表示數(shù)據(jù)采集開始后所有采集到的有效數(shù)據(jù)的計數(shù)值；樣品當前溫度:表示低溫恒溫器溫度傳感器所測到的恒溫器當前溫度值，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:表示當流過樣品的電流為正向時所測得的樣品兩端的電壓降數(shù)值，單位為mV；

第12頁/共15頁樣品反向電壓值:表示當流過樣品的電流為反向時所測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樣品的電流的平均值，單位為mA；光標指示值：按下“光標移動”鍵時,可見一個大“十”字形光標隨之移動，交點處水平方向的數(shù)值為光標指示溫度值，單位為K，而垂直方向的數(shù)值為光標指示電壓值，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、退出測量按鍵盤上的ESC鍵，按提示輸入文件名(缺省名為HT288C.TXT),確認后退出。

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

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