高温超导材料特性测试和低温温度计研究报告.docxVIP

高温超导材料特性测试和低温温度计研究报告作者君宇同组者水 成摘要：本实验通过测量并绘制电阻（或电压）——温度关系曲线直观描述高临界温度超导体的温度转变过程；掌握作图法确定超导体临界转变温度以及低温温度计的比对分析。关键字：液氮、样品电阻（钇钡铜氧化物）、超导转变温度Tcm，硅电阻正向电压、铂电阻1、引言超导转变温度的提高一直倍受科学界瞩目，到1993年3月，转变温度已从刚发现超导现象的液氦温区（4.2K）提高到了液氮温区（134K）；超导材料和技术诸如超导输电、超导发动机、超导发电机、超导磁体、超导磁悬浮以及利用超导效应研制高灵敏度的电磁仪器；通过本实验不仅可以初步掌握超导转变温度的测量，还可以了解液氮和低温温度计的相关基本知识。2、实验原理（1）超导体和超导电性超导体只有在外加磁场小于某个量值（临界磁场）时才能保持超导电性；类似地超导体还存在临界电流的现象，即通过超导体的电流超过该值时，超导电性遭到破坏。常用临界温度TC、临界磁场BC和临界电流密度jC作为临界参量来表征超导材料的超导性能。实验表明，不论有没有外加磁场，使样品从正常态转变为超导态只要TTC，超导体内部的磁感应强度Bi总是等于零，这个称作迈斯纳效应，表明超导体具有完全抗磁性。根据迈斯纳效应或电阻率变化的特性都可以确定超导体的临界温度。本实验采用电阻法。为了更好的描述高温超导体的特性，常引进起始转变温度Tc,onset、零电阻温度Tc0和超导转变（中点）温度Tcm三个物理量。实验使用的超导体为钇钡铜氧化物高温超导样品，转变温度落在液氮温区。（2）低温温度计A 金属电阻随温度变化绝对零度下的纯金属中，理想的完全规则排列的原子（晶格）周期场中的电子处于确定的状态，因此电阻为零。温度升高时，敬个原子的热震动会引起电子运动状态的变化，即电子的运动受到晶格的散射而出现电阻Ri。实际上，金属中总是含有杂质的，杂质原子对电子的散射将造成附加电阻。在温度很低时，晶格散射的贡献趋于零，这是电阻几乎完全由杂质散射造成，称为剩余电阻Rr，它近似与温度无关。金属纯度很高时，总电阻可以近似表达成R=Ri(T)+Rr在液氮温度以上，Ri(T)Rr，R≈Ri(T)。在较宽温度范围内，电阻R≈Ri(T)近似地正比于温度T。在液氮正常费电到室温这一温度范围内，铂电阻温度计具有良好的线性电阻温度关系，可表示为R(T)=AT+B或T(R)=aR+b其中A、B和a、b是不随温度变化的常量。因此，根据给出的铂电阻温度计在液氮正常沸点和冰点的电阻值，可以确定所用的铂电阻温度计的A、B和a、b的值，并可由此对铂电阻温度计定标，得到不同电阻值时所对应的温度值。B半导体电阻以及PN结的正向电压随温度的变化与金属完全不同，半导体材料在大部分温区具有负的电阻温度系数。这是由半导体的导电机制决定的。如图所示，半导体温度计的电阻—温度关系可以分为四个区。在Ⅳ区中温度已经降低到本征激发和杂志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场下形成微弱的电流，温度越高，电阻越低。当温度升高到Ⅲ区时，半导体杂质激发占优势，电阻随温度的升高而呈指数下降；当温度升高到Ⅱ区时，杂质激发完成，继续升高温度时，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，电阻随温度的升高而增大；在Ⅰ区中，半导体本征激发占优势，电阻随着温度升高而呈指数下降。由于二极管温度计的发热量较大，常把它用作控温敏感原件。C温差电偶温度计当两种金属所做成的导线连成回路，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，则可以由所测得的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。3、实验操作（1）高温超导材料特性（电阻）的测量及低温温度计的比对A电路的连接按面板上的虚线所示连接导线，将PZ158型直流数字电压表与“电源盒”面板上的“外接PZ158”相连接。B室温检测打开PZ158型直流数字电压表的电源开关（置于200mV档）以及“电源盒”的总电流开关，依次打开铂电阻，硅二极管和超导样品3个分电源开关，调节2支温度计的工作电流，测量并记录其室温的电流和电压数据。对于一般样品，可按照超导样品上的室温电压为50~200μV来选定所通过的电流的大小，不要大于50mA。打开25Ω锰铜加热器线圈的分电源开关之前，应将电压调节旋钮左旋到底，使其处于指零位置。此时，打开开完，稍许右旋，电压表指针偏转正常则左旋到底，恢复指零位置，关掉加热器线圈的分电源。最后，将转换开关先后旋至“温差电偶”和“液面指示”处，此时PZ158型直流数字电压表示值应当很低。C低温恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对①降