高温超导材料特性

自1911年荷兰物理学家翁纳斯发现超导现象以后，人们一直在为提高超导临界温度而努力，直到1986年，才有了极大的进展，现在，临界温度已提高到130K左右。目前，块状超导体、高温超导导线、大面积超导薄膜等超导材料在磁悬浮输运、强电、弱电等工程领域上的应用已完成了前期实验阶段，现已投入工程开发中。专家预测，二十年内超导技术将在通讯、交通、军事、电力等领域得到应用。

历史上已有八位科学家因为超导研究方面的成就而荣获诺贝尔物理学奖，可见超导研究的重要性，它是物理学的前沿课题。本实验的内容是低温的获得和控制、各类温度传感器和液面计的特性应用、电阻的四引线测量法、乱真电动势的判定等。

【目的】

1. 了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。

2. 了解铂电阻和半导体pn结的正向电压及温差电偶的电动势随温度的变化情况。 3. 学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法。 【原理】

通常把物体在一定温度下电阻突然跌落到零的现象，称为零电阻现象或超导现象，而把电阻突然变为零的温度称为临界温度，用TC表示。利用本实验装置，可用逐点测量的方法得到高温超导体的电阻转变曲线，并可用标准的方法判断零电阻现象是否实现。除了零电阻现象之外，超导体还具有另一个基本的特征——迈斯纳效应（完全抗磁性），即不论在有或没有外加磁场的情况下，使样品从正常态转变为超导态，只要T当超导体温度降到某一温度（T）时，本实验中，所用的YBaCuO样品的零电阻90K左右。

2. 电测量设备及测量原理

恒流源

图 1四引线法测量电阻

标准电池Rn

样品Rs

其电阻为零。温度大约为

本实验测量设备主要由铂电阻、硅二极管和超导样品

图 1四引线法测量电阻

三个电阻测量电路构成，每一电路均包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关等五个主要部件。实验中测量样品电压等采用四引线测量法，其基本原理是：恒流源通过两根电流引线将待测电流I提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线测量样品上电压U。由于两根电压引线与样品的节点处在两根电流引线的节点之间，因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响；又由于数字电压表的输入阻值很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。因此，四引线测量法减小甚至排除了引线电阻和接触电阻对测量的影响，是国际上通用的标准测量方法。四引线法测量电阻示意图见图1。

3. 铂电阻随温度的变化：实验表明铂电阻随温度的变化呈良好的线性关系，本实验中温度在77-130K范围内，铂电阻R1随温度T的关系为： T (K ) = a + b R1 （ a、b值由仪器使用说明书给出）。

引线插座 引线拉杆

拉杆固定螺母 拉杆固定螺栓 有机玻璃盖 不锈钢杜瓦容器 上挡板

紫铜圆筒上盖 锰铜加热器线圈 紫铜圆筒 紫铜恒温块 超导样品

可调式定点液面计 下挡板

温差电偶和液面计 （参考点） 液氮

图2低温恒温器和杜瓦容器的结构

25Ω锰铜加热器线圈

高温超导样品

硅二极管温度计 铜-康铜温差电偶测量端 铂电阻温度计

图 3 紫铜恒温块（探头）的结构

4. 半导体电阻以及pn结的正向电压随温度的变化：半导体具有与金属很不相同的电阻温度关系。一般而言，半导体具有负的电阻温度系数，温度越高，电阻越小。半导体pn结的正向电压随温度的变化也呈线性关系，用一支二极管温度计就能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高，常用它作为控温敏感元件。 5. 温差电偶及定点液面计的测量电路：当两种金属所做成的导线连成回路，并使其两接触点维持在不同温度时，该闭合回路就会有温差电动势存在。在本实验中，将回路的一个接触点固定在液氮沸点77.4K，则可由温差电动势测得另一点的温度。

实验中，利用转换开关和PZ158型直流数字电压表，可以监测铂电阻上电压、硅二极管pn结正向电压、样品电压、铜—康铜温差电偶的电动势以及可调式定点液面计的指示。

【实验仪器】

BW2型高温超导材料特性测试装置，其中低温恒温器和杜瓦容器的结构见图2，紫铜恒温块的结构见图3。

【实验内容】

1. 液氮的灌注及电路的连接，在老师指导下完成。 2. 低温恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对。

1） 确认是否已将转换开关旋至“液面指示”处。样品电流取5mA。

2） 当低温恒温器的下挡板浸入液氮时，液氮表面会像沸腾一样翻滚并伴有响声，有大量冷气喷出，大

约1分钟后液面逐渐平静下来，这时，可少许旋松拉杆固定螺母，控制拉杆缓缓下降，并密切监视与液面指示计相连接的PZ158型直流数字电压表的示值（以下简称“液面计示值“），使之逐渐减小到“零”，立即拧紧固定螺母，这时液氮面恰好位于紫铜圆筒底部与下挡板间距离的1/2处（该处安装有液面计，原理是利用了温差电偶）。 3） 将测量选择旋钮拨至Pt电流档，将Pt上电压调至100.00mV。此时通过Pt的电流达到规定值：

I1100.00mV100.001.0000mA，测量时拨回电压档。

4） 将测量选择旋钮拨至SID电流档，将硅二极管SID上电压调至1.0000V，此时通过SID的电流达规

定值：I21.0000V10.000K0.10000mA，测量时拨回电压档。

5） 实验过程中定时测量，起始可以5分钟左右测一次，每次在同一时刻测量铂电阻、硅二极管、热电

偶和样品上电压U1、U2、U3、U4，并多次缓缓下降拉杆，以保持液面计指示很小或为零，直至超导

状态为止，实验中，切忌温度变化太快和温度起伏。当样品上电压U4开始明显加快减小时，测量点时间间隔要减小，可以取30 S甚至10 S测一次。

【实验图表】

1. 由铂电阻上电压U1求出铂电阻的阻值R1，R1 = U1 / I1，进而求出相应的温度值

T (K ) = a + b R1 ，作铂电阻阻值R1—温度T关系图。

2. 作硅二极管pn结正向电压U2—温度T关系图。

铂电阻阻值—温度关系图

90 80

1.05 1.00

pn结正向电压—温度关系图

pn结正向电压(V) 温度(0K)

铂电阻阻值(Ω) 70 60 50 40 30 20

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70

0.65

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

温度(0K)

3. 作温差电偶的温差电动势U3—温度T关系图。

4. 由样品电压U4求出样品电阻值R2 = U4 / I2，作R2–T关系图。

温差电动势—温度关系图

4.0 3.5

1.2 1.0

样品电阻—温度关系图

温差电动势(mV) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

0

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

样品电阻(Ω) 3.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

-0.2

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

温度(0K)

温度(0K)