高温超导材料特性测试和低温温度计2120502009.docVIP

高 温 超 导 材 料 特 性 测 试 和 低 温 温 度 计 实 验 2120502009 成龙 一．实验简介：1911年，卡麦林 翁钠斯(H,Kamerlingh Ornes, 1853-1926)用液氮冷却水银并通以几毫安的电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氮的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体。 超导材料有着非常现实的应用价值。例如，由清华大学研制成功的我国第一台CDMA移动通信用高温超导滤波器系统，已在商业运行中的CDMA移动通信基站上通信试验成功并投入实际使用。这是高温超导材料自1986年被发现以来在我国的首次实际应用。 通过本实验，同学们可以达到的实验目的有： (1)?? 了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。 (2)?? 了解金属和半导体PN结的伏安特性随温度的变化以及温差效应。 (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。 二．实验原理： （一）? 高临界温度超导性 （二）金属电阻随温度的变化 在合金中，电阻主要是由杂质散射引起的，因此电子的平均自由程对温度的变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验中所用的标准电阻和电加热器就是用锰铜线绕制而成的。今天已经广泛应用的半导体，其基本性质的揭示是和电阻－温度关系的研究分不开的。也正是做研究低温下水银电阻的变化规律时，发现了超导电性。另一方面，作为低温物理实验中基本工具的各种电阻温度计，完全是建立在对各种类型材料的电阻－温度关系研究的基础上的。因此，掌握这方面实验研究的基本方法是十分必要的。尽管我们的实验是以液氮作为冷源的，进行测量工作的温区是77K到室温，但这里所采用的实验方法同样适用于以液氮作为冷源的更低温度的情况。 （三） 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，在较大的温度范围内，半导体具有负的电阻温度系数。半导体的导电机制比较复杂，电子（e ）和空穴（e ）是致使半导体导电的粒子，常统称为载流子。在纯净的半导体中，由所谓的本征激发产生载流子；而在掺杂的半导体中，则除了本征激发外，还有所谓的杂质激发也能产生载流子，因此具有比较复杂的电阻温度关系。如图3所示，锗电阻温度计的电阻温度关系可以分为四个区。在一区中，办单体本征激发占优势，它所激发的载流子的树木随着温度的升高而增多，使其电阻随温度的升高而指数的下降。当温度降低到二区和三区时，半导体杂质激发占优势，在三区中温度开始升高时，它所激发的载流子的树木也是随着温度的升高而增多的，送二使其电阻随温度的升高而指数的下降；但当温度升高到进入二区中时，杂质激发已全部完成，因此当温度继续升高时，由于晶格对载流子散射作用的增强以及载流子热运动的加剧，所以电阻随温度的升高而增大。最后，在四区中温度已经降低到本征激发和杂质激发几乎都不能进行，这时靠载流子在杂质原子之间的跳动而在电厂下形成微弱的电流，因此温度越高电阻越低。适当调整掺杂元素和掺杂量，可以改变三和四这两个区所覆盖的温度范围以及交接处曲线的光滑程度，从而做成所需的低温锗电阻温度计。此外，硅电阻温度计，碳电阻温度计渗碳玻璃电阻温度计和热敏电阻温度计等也都是常用的低温半导体温度计。显然，在大部分温区锗，半导体具有负的电阻温度系数，这是与金属完全不同的。 （四） 温差电偶温度计 当两种金属所做成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度时，该闭合回路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个接触点固定在一个已知的温度，例如液氮的正常沸点77.4K，则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。 三．实验仪器： 低温恒温器和不锈钢杜瓦容器 电测量原理及测量设备 实验电路图 四．实验步骤： （1）??? 低温恒温器降温速率的控制 低温测量是否能够在规定的时间内顺利完成，关键在于是否能够调节好低温恒温器的下档板侵入液氮的深度，使紫铜恒温块以适当速度降温。为了确保整个实验工作可在3小时以内顺利完成，我们在低温恒温器的紫铜圆筒底部与下档板间距离的1/2处安装了可调式定点液面计。在实验过程中只要随时调节低温恒温器的位置以保证液面计指示电压刚好为零，即可保证液氮表面刚好在液面计位置附近，这种情况下紫铜恒温块温度随时间的变化大致如图10所示。 具体步骤如下： 1)????? 确认是否已将转换开关旋至“液面指示”处。 2)????? 为了避免低温恒温器的紫铜圆筒底部一开始就触及液氮表面而使紫铜恒温块温度骤然降低造成实验失败，可在低温恒温器放进杜瓦容器之前，先用米尺测量液氮面距杜瓦容器口的深度，然后旋紧拉杆固定螺母，并将低温恒温器缓缓放入杜瓦容器中。当低温