實驗二-高溫超導體的臨界溫度和臨界電流的測量

實驗二 - 高溫超導體的臨界溫度和臨界電流的測量 ———————————————————————————————— 作者： ———————————————————————————————— 日期： 實驗二 高溫超導體的臨界溫度和臨界電流的測量 在各種新材料特性研究中， 其電特性的研究占有相當重要的地位， 往往由此揭示新的物理 規(guī)律和這些材料新的應用前景． 追溯超導電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷史， 就是在著名低溫物理學家昂尼 斯（ K.Onnes ，1853-1926 ）的指導下，實現(xiàn)的氦的液化，達到 4.2K 這個當時所能達到的最 低溫度后， 探索在所達到的新的低溫區(qū)內各種金屬電阻變化規(guī)律， 當選用純汞作實驗時， 發(fā) 現(xiàn)隨著溫度的下降， 汞的電阻先是平緩地減小， 而 電阻 / 在 4.2K 附近，電阻在很窄的溫區(qū)內，突然降為 零．如圖 C.2.1 所示．他把這種顯示零電阻特性的 物質狀態(tài)定為“超導態(tài)” ，該現(xiàn)象稱為“超導電 性”．又如現(xiàn)在廣泛應用的半導體，其基本特性的 揭示是和電阻 - 溫度關系的研究分不開的．而在低 4.20 4.22 4.24 4.26 4.28 溫度 /K 溫測量中廣泛應用的電阻溫度計， 完全是建立在對 圖 C.2.1 汞的電阻與溫度關系 各種類型材料的電阻 -溫度關系研究的基礎上的． 實驗目的 １ .掌握超導材料臨界溫度和臨界電流測試原理和方法． 2.測量反映高溫超導體基本特性． 3.利用電磁測量的基本手段來研究高溫超導體． 儀器和用具 低溫裝置（包括真空玻璃杜瓦和測試探頭） ，數(shù)字電壓表 2 臺（分別為 4 1 和5 1 位的數(shù) 2 2 字電壓表），鉑電阻溫度計或銅 -康銅溫差電偶，恒流源（ 100mA ，100Ω），直流穩(wěn)壓電源與標準電阻（ 10Ω、 1Ω），高溫超導樣品，銦絲，銀引線（或細漆包線） ，液氮，直流放大器． 實驗原理 R １ .超導體的基本特性——零電阻現(xiàn)象和邁 斯納效應 Rn 0.9Rn 超導材料有兩個不同于其他材料的最基本 特性， 即零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性 （也稱邁斯 0.5Rn 納效應）．零電阻現(xiàn)象是指具有超導電性的材 料，當溫度下降時， 其電阻隨溫度下降發(fā)生緩 0.1Rn TR0TC T T 起始 0 T 圖 C.2.2 轉變寬度 T 慢的變化（一種是金屬性的材料， 其電阻緩慢下降； 一種是顯示半導體性， 其電阻緩慢升高） ， 而當?shù)竭_某一溫度時，其電阻在很窄的溫區(qū)內，從 Rn 急劇地變?yōu)榱?，超導體呈現(xiàn)零電阻現(xiàn) 象．為描述電阻陡降的突變過程，可以定義如下幾個特征溫度：起始轉變溫度 T起始 是指電 阻隨溫度的變化偏離線性的溫度；臨界溫度 TC 是指電阻值下降到 Rn / 2 時所對應的溫度， 零電阻溫度 TR 0 為電阻剛降至零時對應的溫度， 而把電阻變化 1/10 到 9/10 所對應的溫度 間隔定義為轉變寬度 T ，如圖 C.2.2 所示．超導體的另一個重要電磁特性是完全抗磁性， 即所謂邁斯納效應． 不論超導體是先降溫到超導態(tài)再加磁場， 還是先加磁場后降溫， 只要溫 度低于零電阻溫度，置于磁場下超導體內的磁感應強度 B 都恒等于零，磁場被排斥到超導 體外面， 該現(xiàn)象稱為邁斯納效應． 該效應是超導體區(qū)別于理想導體的獨有特性． 由于磁感應 強度 B 和磁場強度 H 有如下關系： B 0 r H (1 xm )M H （ C.2.1） 式中 0 為真空磁導率， r 為介質的相對磁導率， xm 為磁化率．當發(fā)生正常態(tài)到超導態(tài)的 轉變時， r 由 1 變到零，或者說磁化率由近于零變到 -1，從而使超導體內部 B=0 ．如果把 超導體材料作成線圈的芯子，則線圈自感 L 和介質的磁導率的關系如下： L r 0 n2V （ C.2.2） 式中 n 為線圈單位長度的匝數(shù)， V 為線圈的體積，可見當發(fā)生超導轉變時，磁導率 r 發(fā)生 變化， 線圈的電感量也變化．利用超導轉變時，線圈電感量變化來測量臨界溫度的方法，稱為電感法． １.臨界電流 當通過超導線的電流超過一定的數(shù)值后，超導態(tài)便被破壞，轉變?yōu)檎B(tài)，該電流 Ic 稱 為超導體的臨界電流．當電流超過一定值后，所以能 I a c 引起超導態(tài)到正常態(tài)的轉化，其根本原因是由于電流 所產生的磁場（自場）超過臨界磁場引起的．各超導 V V 體臨界電流的大小， 除和超導材料組成和結構有關外， 圖 C.2.3 四引線法 對同一種超導材料而言，與其截面積的大小和形狀有關． ２.測量方法及參考方案 電阻法測臨界電流最常用的方法是四引線法．四引線法示意圖如圖 C.2.3 所示，其中兩 端的電流引線與恒流源相連，用以檢測超導樣品的電壓．當產生超導轉變時，其電壓降為 零．采用四引線法的優(yōu)點在于能夠避免引線及接點電阻所引入的測量誤差． 由于數(shù)字電壓表的輸入阻抗很高，所以引線的接點的接觸電阻均可忽略． 用四引線法測超導轉變溫度的原理簡圖如圖 C.2.4 所示．圖中溫度測量是用銅 -康銅溫差 電偶，也可采用鉑電阻溫度計，鉑電阻溫度計電阻的對應關系見文獻 [ 3] 所附分度值表．如 用銅 -康銅溫差電偶，則必須利用鉑電 K 恒流源 阻溫度計在所使用的溫區(qū)（即 77K~ 直流放 T 室溫）對銅-康銅溫差電偶進行定 大器Ⅰ mA 標．通過樣品的電流在毫安量級． 恒溫器 直流放 記 錄 大器Ⅰ 儀 x 實驗中采用的低溫裝置是一種簡 y T0 直流放 易的真空玻璃杜瓦瓶，內盛液氮，低 大器Ⅱ 冰點槽 溫可到達液氮溫度．超導樣品和測量 直流放 大器Ⅱ 用鉑電阻溫度計或銅 - 康銅溫差電偶 安裝在測試探頭上，如圖 C.2.5 所 圖 C.2.4 四引線法測量 TC 裝置的示意 示．當把測試探頭浸入液氮并達到熱 平衡時，恒溫紫銅塊、超導樣品和溫度計均達到液氮溫度．提升探頭至液氮以上， 恒溫紫銅 塊和超導樣品同步逐漸升溫，可測出超導樣品輸出電壓隨溫度的變化曲線． 本實驗所用的高溫超導樣品是采用燒結工藝制備的多晶超導塊材料，其結構式為 Yba Cu O 7- δ ，式中δ為與超導樣品氧含量有關的系數(shù)，樣品的轉變溫度約為 92K 左右，由 2 3 于該樣品無法用焊接法直接引出引線， 四引線發(fā)的四根引線是用銦絲將細銀絲粘壓在高溫超 導樣品表面， 然后再焊在接線片上． 所有引線均由德銀管引出與德銀管上端的接線插座相連， 并由接頭接到測量電路． 臨界電流的測量線路也可用圖 C.2.4 說明，即只要把圖 C.2.4 中的恒流源改用輸出電壓可 調的穩(wěn)壓電源， 毫安表改用額定電流為數(shù)安培的取樣電阻就可以了． 改變穩(wěn)壓電源的輸出電 壓，即可改變電流， 直到樣品發(fā)生超導態(tài)到正常態(tài)的轉變． 本實驗只要求測出液氮溫區(qū)的臨 界電流．電路、儀器的配置和參數(shù)的選擇由同學自己考慮選?。? 2 若采用磁測量法測轉變溫度， 可參閱 本實驗后所附參考文獻，自己組裝測量 和調試測量裝置．在科研工作中，由于 1 研究工作的需要，往往要根據(jù)或參考別 人的文獻，并根據(jù)自己所需解決的問題 8 3 和儀器設備條件，加以適當?shù)母倪M，實 4 7 5 現(xiàn)測量，這也是科研能力的訓練． 6 在以上測試中由于要用到低溫容器 與液氮，使用中必須注意遵守下列安全 圖 C.2.5 低溫裝置圖 規(guī)則： 1. 真空玻璃杜瓦； 2. 德銀管； 3. 外套筒； 4. 超導樣品； 5. 恒溫紫銅塊； 6. 液氮； 7. 鉑電阻溫度計； 8. 接線片 . １ .所有盛放在低溫液氮的容器都必 須留有供蒸發(fā)氣體逸出的孔道，以免容器內壓力過大引起事故． ２.液氮灌入玻璃杜瓦時， 應緩慢灌入， 避免驟冷引起杜瓦的破裂． 灌注液氮采用專用液氮灌注器． ３.實驗中注意不要讓液氮觸及裸露的皮膚特別是眼睛，以免造成嚴重的凍傷． ４ .使用液氮時， 室內應保持空氣通暢， 防止液氮的大量蒸發(fā)造成室內缺氧． 因為氧含量低于 14%~15% ，會引起人的昏厥． 實驗內容 1.高溫超導樣品的準備 本實驗提供的高溫超導樣品，是用一般陶瓷燒結工藝制備的，先按照 1： 2：3 的理想配 比，將氧化釔、氧化銅和碳酸鋇的分析純粉末混合，然后經過研磨、預燒、壓片和燒結等工 藝制成直徑為 12mm、厚度為 1mm 的超導圓片， 結構式為 Yba 2Cu3O7-δ ．經切割后成為 2mm ×1mm 截面的條形試樣．粘壓引線的方法如下：把從銦絲上切割下的銦粒新鮮面用削尖的 竹簡壓貼在試樣的表面， 銀引線的一端置于壓貼好的新鮮銦面上， 上端再用新鮮的銦粒面壓 貼固定，這樣可形成良好的歐姆接觸．可用萬用表檢查接點是否良好． 2.用四引線法測量高溫超導樣品的臨界溫度，求出幾個特征溫度．根據(jù)提供的測試儀器 和設備，決定測量方案和測試線路，選擇測量參數(shù)和操作步驟，完成測量． 3.測量所提供樣品的臨界電流，計算臨界電流密度． 4.參閱參考文獻，用磁測量法測量臨界溫度，同學也可根據(jù)邁斯納效應的特點，設計其 他觀察研究邁斯納效應的實驗方法． 參考文獻 [1] 章立源等．超導物理．北京：電子工業(yè)出版社，1987.8 [2] 賈起民，鄭永令．電磁學 下冊．上海：復旦大學出版社，1987.182—— 190 [3] 戴樂山．溫度計量．北京： 中國計量出版社， 1987.182—— 190 [4] 呂斯驊，朱印康．近代物理實驗技術．北京：高等教育出版社， 1991.240 [5] 俞永勤等．頻率法在高溫超導體中的應用．低溫與超導， 1989， 17（ 4）： 39—— 42