實(shí)驗(yàn)二-高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界電流的測(cè)量

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1、 實(shí)驗(yàn)二 - 高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界電流的測(cè)量

2、 ———————————————————————————————— 作者： ———————————————————————————————— 日期： 實(shí)驗(yàn)二 高溫超導(dǎo)體的臨界溫度和臨界電流的測(cè)量 在各種新材料特性研究中， 其電特性的研究占有相當(dāng)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(yīng)用前景． 追溯超導(dǎo)電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷史， 就是在著名低溫物理學(xué)家昂尼 斯（ K.Onnes ，1853-1926 ）的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)的氦的液化，達(dá)到 4.2K 這個(gè)當(dāng)時(shí)所能達(dá)到的最 低溫度后， 探索在所達(dá)到的新

3、的低溫區(qū)內(nèi)各種金屬電阻變化規(guī)律， 當(dāng)選用純汞作實(shí)驗(yàn)時(shí)， 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(nèi)，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(zhì)狀態(tài)定為“超導(dǎo)態(tài)” ，該現(xiàn)象稱(chēng)為“超導(dǎo)電 性”．又如現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體，其基本特性的 揭示是和電阻 - 溫度關(guān)系的研究分不開(kāi)的．而在低 4.20 4.22 4.24 4

4、.26 4.28 溫度 /K 溫測(cè)量中廣泛應(yīng)用的電阻溫度計(jì)， 完全是建立在對(duì) 圖 C.2.1 汞的電阻與溫度關(guān)系 各種類(lèi)型材料的電阻 -溫度關(guān)系研究的基礎(chǔ)上的． 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? １ .掌握超導(dǎo)材料臨界溫度和臨界電流測(cè)試原理和方法． 2.測(cè)量反映高溫超導(dǎo)體基本特性． 3.利用電磁測(cè)量的基本手段來(lái)研究高溫超導(dǎo)體． 儀器和用具 低溫裝置（包括真空玻璃杜瓦和測(cè)試探頭） ，數(shù)字電壓表 2 臺(tái)（分別為 4 1 和5 1 位的數(shù) 2 2

5、字電壓表），鉑電阻溫度計(jì)或銅 -康銅溫差電偶，恒流源（ 100mA ，100Ω），直流穩(wěn)壓電源與標(biāo)準(zhǔn)電阻（ 10Ω、 1Ω），高溫超導(dǎo)樣品，銦絲，銀引線（或細(xì)漆包線） ，液氮，直流放大器． 實(shí)驗(yàn)原理 R １ .超導(dǎo)體的基本特性——零電阻現(xiàn)象和邁 斯納效應(yīng) Rn 0.9Rn 超導(dǎo)材料有兩個(gè)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(chēng)邁斯 0.5Rn 納效應(yīng)）．零電阻現(xiàn)象是指具有超導(dǎo)電性的材 料，當(dāng)溫度下降時(shí)， 其電阻隨溫度下降發(fā)生緩 0.1Rn TR0TC T T 起始

6、 0 T 圖 C.2.2 轉(zhuǎn)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(dǎo)體性， 其電阻緩慢升高） ， 而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一溫度時(shí)，其電阻在很窄的溫區(qū)內(nèi)，從 Rn 急劇地變?yōu)榱悖瑢?dǎo)體呈現(xiàn)零電阻現(xiàn) 象．為描述電阻陡降的突變過(guò)程，可以定義如下幾個(gè)特征溫度：起始轉(zhuǎn)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(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度， 零電阻溫度 TR 0 為電阻剛降至零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度， 而把電阻變化 1/10 到 9/10 所對(duì)應(yīng)的溫

7、度 間隔定義為轉(zhuǎn)變寬度 T ，如圖 C.2.2 所示．超導(dǎo)體的另一個(gè)重要電磁特性是完全抗磁性， 即所謂邁斯納效應(yīng)． 不論超導(dǎo)體是先降溫到超導(dǎo)態(tài)再加磁場(chǎng)， 還是先加磁場(chǎng)后降溫， 只要溫 度低于零電阻溫度，置于磁場(chǎng)下超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 都恒等于零，磁場(chǎng)被排斥到超導(dǎo) 體外面， 該現(xiàn)象稱(chēng)為邁斯納效應(yīng)． 該效應(yīng)是超導(dǎo)體區(qū)別于理想導(dǎo)體的獨(dú)有特性． 由于磁感應(yīng) 強(qiáng)度 B 和磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 有如下關(guān)系： B 0 r H (1 xm )M H （ C.2.1） 式中 0 為真空磁導(dǎo)率， r 為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，

8、 xm 為磁化率．當(dāng)發(fā)生正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的 轉(zhuǎn)變時(shí)， r 由 1 變到零，或者說(shuō)磁化率由近于零變到 -1，從而使超導(dǎo)體內(nèi)部 B=0 ．如果把 超導(dǎo)體材料作成線圈的芯子，則線圈自感 L 和介質(zhì)的磁導(dǎo)率的關(guān)系如下： L r 0 n2V （ C.2.2） 式中 n 為線圈單位長(zhǎng)度的匝數(shù)， V 為線圈的體積，可見(jiàn)當(dāng)發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)，磁導(dǎo)率 r 發(fā)生 變化， 線圈的電感量也變化．利用超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)，線圈電感量變化來(lái)測(cè)量臨界溫度的方法，稱(chēng)為電感法． １.臨界電流 當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)線的電流超過(guò)一定的數(shù)值后，超導(dǎo)態(tài)便被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，該電

9、流 Ic 稱(chēng) 為超導(dǎo)體的臨界電流．當(dāng)電流超過(guò)一定值后，所以能 I a c 引起超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)化，其根本原因是由于電流 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)（自場(chǎng)）超過(guò)臨界磁場(chǎng)引起的．各超導(dǎo) V V 體臨界電流的大小， 除和超導(dǎo)材料組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)外， 圖 C.2.3 四引線法 對(duì)同一種超導(dǎo)材料而言，與其截面積的大小和形狀有關(guān)． ２.測(cè)量方法及參考方案 電阻法測(cè)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

10、的電流引線與恒流源相連，用以檢測(cè)超導(dǎo)樣品的電壓．當(dāng)產(chǎn)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)，其電壓降為 零．采用四引線法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠避免引線及接點(diǎn)電阻所引入的測(cè)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(diǎn)的接觸電阻均可忽略． 用四引線法測(cè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的原理簡(jiǎn)圖如圖 C.2.4 所示．圖中溫度測(cè)量是用銅 -康銅溫差 電偶，也可采用鉑電阻溫度計(jì)，鉑電阻溫度計(jì)電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)文獻(xiàn) [ 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

11、 阻溫度計(jì)在所使用的溫區(qū)（即 77K~ 直流放 T 室溫）對(duì)銅-康銅溫差電偶進(jìn)行定 大器Ⅰ mA 標(biāo)．通過(guò)樣品的電流在毫安量級(jí)． 恒溫器 直流放 記 錄 大器Ⅰ 儀 x 實(shí)驗(yàn)中采用的低溫裝置是一種簡(jiǎn) y

12、 T0 直流放 易的真空玻璃杜瓦瓶，內(nèi)盛液氮，低 大器Ⅱ 冰點(diǎn)槽 溫可到達(dá)液氮溫度．超導(dǎo)樣品和測(cè)量 直流放 大器Ⅱ 用鉑電阻溫度計(jì)或銅 - 康銅溫差電偶 安裝在測(cè)試探頭上，如圖 C.2.5 所 圖 C.2.4 四引線法測(cè)量 TC 裝置的示意 示．當(dāng)把測(cè)試探頭浸入液氮并達(dá)到熱

13、 平衡時(shí)，恒溫紫銅塊、超導(dǎo)樣品和溫度計(jì)均達(dá)到液氮溫度．提升探頭至液氮以上， 恒溫紫銅 塊和超導(dǎo)樣品同步逐漸升溫，可測(cè)出超導(dǎo)樣品輸出電壓隨溫度的變化曲線． 本實(shí)驗(yàn)所用的高溫超導(dǎo)樣品是采用燒結(jié)工藝制備的多晶超導(dǎo)塊材料，其結(jié)構(gòu)式為 Yba Cu O 7- δ ，式中δ為與超導(dǎo)樣品氧含量有關(guān)的系數(shù)，樣品的轉(zhuǎn)變溫度約為 92K 左右，由 2 3 于該樣品無(wú)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(xì)銀絲粘壓在高溫超 導(dǎo)樣品表面， 然后再焊在接線片上． 所有

14、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(cè)量電路． 臨界電流的測(cè)量線路也可用圖 C.2.4 說(shuō)明，即只要把圖 C.2.4 中的恒流源改用輸出電壓可 調(diào)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(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變． 本實(shí)驗(yàn)只要求測(cè)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(xué)自己考慮選?。? 2 若采用磁測(cè)量法測(cè)轉(zhuǎn)變溫度， 可參閱 本

15、實(shí)驗(yàn)后所附參考文獻(xiàn)，自己組裝測(cè)量 和調(diào)試測(cè)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(xiàn)，并根據(jù)自己所需解決的問(wèn)題 8 3 和儀器設(shè)備條件，加以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，實(shí) 4 7 5 現(xiàn)測(cè)量，這也是科研能力的訓(xùn)練． 6 在以上測(cè)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(dǎo)樣品；

16、 5. 恒溫紫銅塊； 6. 液氮； 7. 鉑電阻溫度計(jì)； 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(nèi)壓力過(guò)大引起事故． ２.液氮灌入玻璃杜瓦時(shí)， 應(yīng)緩慢灌入， 避免驟冷引起杜瓦的破裂． 灌注液氮采用專(zhuān)用液氮灌注器． ３.實(shí)驗(yàn)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(yán)重的凍傷． ４ .使用液氮時(shí)， 室內(nèi)應(yīng)保持空氣通暢， 防止液氮的大量蒸發(fā)造成室內(nèi)缺氧． 因?yàn)檠鹾康陀?14%~15% ，會(huì)引起人的昏厥． 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.高溫超導(dǎo)樣品的準(zhǔn)備 本實(shí)驗(yàn)提供的高溫超導(dǎo)

17、樣品，是用一般陶瓷燒結(jié)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(jīng)過(guò)研磨、預(yù)燒、壓片和燒結(jié)等工 藝制成直徑為 12mm、厚度為 1mm 的超導(dǎo)圓片， 結(jié)構(gòu)式為 Yba 2Cu3O7-δ ．經(jīng)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(jiǎn)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(wàn)用表檢查接點(diǎn)是否良好． 2.用四引線法測(cè)量高溫超導(dǎo)樣品的臨界溫度，求出幾個(gè)特

18、征溫度．根據(jù)提供的測(cè)試儀器 和設(shè)備，決定測(cè)量方案和測(cè)試線路，選擇測(cè)量參數(shù)和操作步驟，完成測(cè)量． 3.測(cè)量所提供樣品的臨界電流，計(jì)算臨界電流密度． 4.參閱參考文獻(xiàn)，用磁測(cè)量法測(cè)量臨界溫度，同學(xué)也可根據(jù)邁斯納效應(yīng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)其 他觀察研究邁斯納效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法． 參考文獻(xiàn) [1] 章立源等．超導(dǎo)物理．北京：電子工業(yè)出版社，1987.8 [2] 賈起民，鄭永令．電磁學(xué) 下冊(cè)．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1987.182—— 190 [3] 戴樂(lè)山．溫度計(jì)量．北京： 中國(guó)計(jì)量出版社， 1987.182—— 190 [4] 呂斯驊，朱印康．近代物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)．北京：高等教育出版社， 1991.240 [5] 俞永勤等．頻率法在高溫超導(dǎo)體中的應(yīng)用．低溫與超導(dǎo)， 1989， 17（ 4）： 39—— 42