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高温超导材料的特性与表征【摘要】采用杜瓦容器和低温恒温器获得从液氮沸点到室温的任意温度，在此条件下，测量高温超导材料电阻，确定其起始转变温度和零电阻温度，并观察记录铂电阻温度计、硅二极管温度计及铜-康铜温差电偶温度计测温参量的变化，进行温度计的比对。【关键词】液氮、高温超导、铂电阻、硅二极管、铜-康铜温差电偶引言从1991年荷兰物理学家H.K.Onnes发现低温超导体，超导科技发展大体经历了三个阶段：1911年到1957年BCS超导微观理论问世，核心是提出库珀电子对；1958年到1985年是超导技术应用的准备阶段，成功研制强磁场超导材料，发现约瑟夫森效应；第三阶段是1986年发现高于30K的超导材料，进入超导技术开发时代。超导研究领域的系列必威体育精装版进展，为超导技术在更方面的应用开辟了十分广阔的前景。本实验目的是通过对氧化物高温超导材料的测量与演示，加深理解超导体两个基本特性；了解超导磁悬浮原理；了解金属和半导体的电阻随温度变化以及温差电效应；掌握低温物理实验的基本方法：低温的获得、控制和测量。实验原理超导现象、临界参数及实用超导体1）零电阻现象将物体冷却到某一临界温度以下时电阻突然降为零的现象，称为超导体的零电阻现象。具有这种导电特性的物体，称为超导体。 不同的超导体的临界温度各不相同。用电阻法测量临界温度，把降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度，临界温度定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半对应的温度，也称作超导转变的中点温度。电阻变化10%到90%所对应的温度间隔定义为转变宽度，电阻完全降到零时的温度为零电阻温度。图1 超导体的电阻转变曲线2）MEISSNER效应1933年，MEISSNER和OCHSENFELD对超导圆柱Pb和Sn在垂直其轴向外加磁场下，测量了超导圆柱外面磁通密度分布，发现了一个惊人的现象：不管加磁场的次序如何，超导体内部磁感应强度总是等于0。超导体即使在外磁场中冷却到超导态，也永远没有内部磁场。这个效应称之为MEISSNER效应。图2 超导体的磁性3）临界磁场磁场加到超导体上面，部分磁场能量用来建立屏蔽电流的磁场抵消超导体内部磁场。当磁场达到某一数值，样品返回正常态，破坏超导电性，这个磁场称为临界磁场。通常我们把相应的磁场称为临界磁场。实验发现，有两类可区分的磁行为。对于一般导体，在以下，与T遵循（1）此类导体称为第类超导体。对于第Ⅱ类超导体，超导态和正常态之间存在一个过渡态，有两个临界参数和。H，具有和第I类超导体相同的MESSNER磁矩；H，磁场进入到超导体中，体系仍具有无阻能力，叫下临界磁场。H后，磁场进入超导体中越来越多，磁化曲线随着H增加磁矩缓慢减小到0，超导体恢复到正常态。叫上临界磁场。4）临界电流密度无阻超流态受到电流大小限制，使超导体恢复到正常态的电流称为临界电流，相应的电流密度称为临界电流密度。大多数金属超导体正常态恢复是突变的，对超导和金、化合物及高温超导体，随I增加逐渐变到正常态。电阻温度特性1）纯金属材料的电阻温度特性纯金属晶体电阻产生于晶体电子被晶格散射和晶格中缺陷热振动散射。金属总电阻率表示为（2）其中表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关，电阻与温度的关系决定晶格振动散射。表示杂质和缺陷对电子散射引起的电阻率，一般不依赖温度。2）半导体材料的电阻温度特性本征半导体的电阻率为（3）为载流子浓度，为迁移率。电阻率随温度上升单调下降。对于杂质半导体，载流子由杂质电离及本征激发产生，载流子浓度随温度变化关系比较复杂，存在电离杂质散射和声子散射，迁移率变化比较复杂。实验装置本实验装置由以下部分组成：低温温度的获得和控制主要包括低温恒温器和不锈钢杜瓦容器；电测量部分主要包括BW2型高温超导材料特性测试装置和PZ158型直流数字电压表；高温超导体的磁悬浮演示装置。低温恒温器和不锈钢杜瓦容器得到从液氮的正常沸点77.4K到室温范围内的任意温度，主要测量超导转变曲线，并在液氮正常沸点附近的温度范围内标定温度计。控温从高温到低温，利用液氮液面以上空间存在的温度梯度来获得需要的温度，通过改变低温恒温器在杜瓦容器内的位置来改变样品温度控制降温速率。图3 低温恒温器和杜瓦容器的结构电测量原理及测量设备电测量设备核心是BW2型高温超导材料特性测试装置、电源盒和PZ158型直流数字电压表。BW2型高温超导材料特性测试装置主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等三个电阻测量电路构成，每一电路包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关五个主要部件。低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线又细又长，其阻值远远超过如超导样品阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用 “四引线测量法”。四引线测量法的基本原理是：恒流源通过两根电流引线将测量电流