高溫超導(dǎo)實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上高溫超導(dǎo)實驗報告【摘要】采用杜瓦容器和低溫恒溫器獲得從液氮沸點到室溫的任意溫度，在此條件下，測量高溫超導(dǎo)材料電阻的起始轉(zhuǎn)變溫度為101.4K、臨界溫度約為96.50K、零電阻溫度為92.39K。進行溫度計的比對，發(fā)現(xiàn)硅二極管電壓、溫差電偶均與溫度成接近線性的關(guān)系。觀察了高溫超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象，并定量對高溫超導(dǎo)體的磁懸浮力與距離的關(guān)系曲線進行了掃描，進一步了解場冷和零場冷。【關(guān)鍵詞】液氮、高溫超導(dǎo)、鉑電阻、硅二極管、溫差電偶一、引言1911年昂納斯首次在4.2K水銀的電阻突然消失的超導(dǎo)電現(xiàn)象。1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場是保持不變的，而且實際上為零，這個現(xiàn)象叫做邁納

2、斯效應(yīng)。1957年巴丁、庫柏和施里弗共同提出來超導(dǎo)電性的微觀理論：當成對的電子有相同的總動量時，超導(dǎo)體處于最低能態(tài)。電子對的相同動量是由電子之間的集體相互作用引起的，它在一定條件下導(dǎo)致超流動性。電子對的集體行為意味著宏觀量子態(tài)的存在。這一超導(dǎo)的微觀理論成為BCS理論，1972年他們?nèi)齻€人共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。1986年4月，柏諾茲和繆勒投寄文章Ba-La-Cu-O系統(tǒng)中可能的高超導(dǎo)電性，后來日本東京大學(xué)幾位學(xué)者和他們二人先后證實此化合物的完全抗磁性。雖然后來又發(fā)現(xiàn)了125K的鉈系超導(dǎo)體和150K的汞系氧化物，但是YBCO仍是目前最流行的高溫超導(dǎo)材料。超導(dǎo)電性的應(yīng)用十分廣泛，例如超導(dǎo)磁懸浮列

3、車、超導(dǎo)重力儀、超導(dǎo)計算機、超導(dǎo)微波器件等，超導(dǎo)電性還可以用于計量標準等。二、原理2.1MEISSNER效應(yīng)1933年，MEISSNER和OCHSENFELD通過實驗發(fā)現(xiàn)，無論加磁場的次序如何，超導(dǎo)體內(nèi)磁場感應(yīng)強度總是等于零，即使超導(dǎo)體在處于外磁場中冷卻到超導(dǎo)態(tài)，也永遠沒有內(nèi)部磁場，它與加磁場的歷史無關(guān)。這個效應(yīng)被稱為MEISSNER效應(yīng)。2.2臨界磁場磁場加到超導(dǎo)體上之后，一定數(shù)量的磁場能量用來立屏蔽電流的磁場以抵消超導(dǎo)體的內(nèi)部磁場。當磁場達到一定值時，它在能量上更有利于使樣品返回正常態(tài)，允許有磁場穿過，即破壞了超導(dǎo)電性。我們把相應(yīng)的磁場叫臨界磁場。對于第類超導(dǎo)體，臨界磁場與溫度有較好的拋物

4、線近似關(guān)系，隨著溫度的降低，臨界磁場會增加。但是第類超導(dǎo)體有兩個臨界磁場，分別為下臨界磁場和上臨界磁場。當，超導(dǎo)體具有和第類相同的MEISSNER態(tài)的磁矩；當時，磁場進入到超導(dǎo)體中，但是仍有無阻的能力，磁化曲線隨著H的增加磁矩慢慢減小到零。在區(qū)域的狀態(tài)成為混合太。高溫超導(dǎo)體為第類超導(dǎo)體。圖2 第II類超導(dǎo)體臨界磁場隨溫度而變化圖1 第I類超導(dǎo)體臨界磁場隨溫度而變化2.3實用超導(dǎo)體非理想的第類超導(dǎo)體當?shù)陬惓瑢?dǎo)體處于區(qū)域時，有-M=H,處在MEISSNER態(tài)；而在區(qū)域時，磁通線要進入大塊超導(dǎo)體中。當去掉磁場時通常大塊物質(zhì)中還殘留俘獲磁通。缺陷的存在會阻礙磁通線的進入，磁場的增加會克服這“阻力”，因

5、此在-M-H曲線上還要繼續(xù)上升；同樣道理在下降過程中磁通線也不容易出導(dǎo)體，因此就形成俘獲了部分磁通。非理想第類超導(dǎo)體中渦旋線不均勻分布，B(r)與空間有關(guān)，渦旋線收到一個從內(nèi)向邊緣的洛倫茲力。但是渦旋線穩(wěn)定分布，表明了還有另一個力的存在阻礙磁通線的運動。這個力來自缺陷，我們稱為釘扎力。2.4電阻溫度特性對于純金屬材料，電阻產(chǎn)生于晶體的電子被晶格本身和晶格中的缺陷的熱振動所散射。金屬中，總電阻率可以表示為： （1）式中表示晶格熱振動對電子散射引起的電陰率，與溫度有關(guān)，電阻與溫度的關(guān)系決定于晶格振動散射。表示雜質(zhì)和缺陷對電子的散射所引起的電阻率，在金屬中雜質(zhì)和缺陷散射的響一般是不依賴于溫度的，而與

6、雜質(zhì)與缺陷的密度成正比。正因為金屬電阻率中有一項十分依賴于溫度的存在，所以金屬可以用來作為溫度計的測溫元件。對于半導(dǎo)體材料，本征半導(dǎo)體的電阻率為 （2）電阻率由載流子濃度及遷移率決定。但由于載流子濃度隨溫度升高而指數(shù)上升，遷移率隨溫度升高而下降較慢，所以本征半導(dǎo)體的電阻率隨溫度上升而單調(diào)下降，有負的溫度系數(shù)。對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，極低溫度下，幾乎沒有自由載流子，電阻隨溫度的上升而迅速下降；低溫下，載流子主要由雜質(zhì)電離產(chǎn)生，濃度隨溫度上升而上升，遷移率隨溫度升高而增加，溫度系數(shù)為負；溫度再高的飽和區(qū)，本征激發(fā)還不明顯，雜質(zhì)已全部電離，載流子濃度也不再變化，由聲子散射為主，溫度系數(shù)為正；其后的本征區(qū)，載

7、流子主要由本征激發(fā)提供，濃度隨溫度升高而迅速增加，其溫度系數(shù)又為負。 圖3 半導(dǎo)體鍺電阻溫度關(guān)系 圖4 四引線法測量電阻2.5液面計原理溫差熱電勢效應(yīng)。導(dǎo)體由于兩端溫度不同而造成的兩端電勢差。液面計可以控制樣品與液氮表面之間的距離，以達到控制降溫速率的目的。2.6四引線測量法由圖4電路圖可知待測樣品電阻為 （3）由于通常測量引線又細又長，阻值可能超過待測樣品阻值，因此我們采取兩根作為電流引線兩根作為電壓引線的方法。兩根電壓引線在兩根電流引線的接點之間，因此排除了電流引線對電壓測量的影響。同時由于電壓表的阻抗很高，電壓引線的引線電阻以及與樣品之間的接觸電阻對測量可以視為基本無影響由此可見四引線測

8、量法對電阻的測量比較準確。三、實驗3.1實驗儀器3.1.1低溫恒溫器和杜瓦容器為了得到從液氮的正常沸點77.4 K到室溫范圍內(nèi)的任意溫度，我們采用如圖5所示的低溫恒溫器和杜瓦容器。圖5 低溫恒溫器和杜瓦容器結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2電測量原理及測量設(shè)備電測量設(shè)備的核心是一臺稱為“BW2 型高溫超導(dǎo)材料特性測試裝置”的電源盒和一臺靈敏度為1V 的PZ158 型直流數(shù)字電壓表。采用四引線測量法進行測量。另外，在低溫物理實驗中，只要存在材料的不均勻性和溫差，就有溫差電動勢存在。電流的反向開關(guān)可以用來進一步確定超導(dǎo)電阻確已為零。3.2實驗方法打開PZ158 型直流數(shù)字電壓表的電源開關(guān)(將其電壓量程置于200

9、 mV 檔)以及“電源盒”的總電源開關(guān)，并依次打開鉑電阻、硅二極管和超導(dǎo)樣品三個分電源開關(guān)，調(diào)節(jié)鉑電阻溫度計工作電流為1 mA，硅二極管溫度計工作電流為100A，樣品電流在本次實驗中選擇10mA。測量并記錄其室溫的電流和電壓數(shù)據(jù)。電阻測量上使用的是BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測試裝置和PZ158型直流數(shù)字電壓表。Pt電阻溫度計方面使用1mA的恒流源與一只100的定值電阻以及Pt電阻溫度計串聯(lián)，隨時讀取Pt溫度計的電壓讀數(shù)，以此獲得Pt的電阻。同理，Si半導(dǎo)體溫度計與100A的恒流源以及10K的定值電阻相聯(lián)，以獲得Si半導(dǎo)體的正向阻值；超導(dǎo)體樣品與10mA的恒流源以及10的定值電阻串聯(lián)，以獲得超導(dǎo)樣

10、品的阻值。通過米尺測量液氮表面距離杜瓦容器口的深度，調(diào)節(jié)拉桿位置使低溫恒溫器下?lián)醢逯劣袡C玻璃的距離恰好為此距離，再旋緊拉桿固定螺母。將低溫恒溫器緩緩放入杜瓦容器中。當紫銅恒溫塊溫度開始降低時觀察記錄各種溫度計以及超導(dǎo)樣品電阻隨溫度的變化。溫度降到大概130K左右時開始增加測量點數(shù)。最后利用高溫超導(dǎo)體的磁懸浮力測量裝置測量超導(dǎo)體樣品在場冷和零場冷狀態(tài)下磁懸浮力與距離的變化，并記錄關(guān)系曲線。四、實驗結(jié)果與討論1.低溫溫度計對比以及超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測量表一 室溫下各溫度計電壓pt電壓（mV)Si電壓（V)樣品電壓（mV）107.540.52390.326在實驗過程中，不定期的抽測定值電阻上的電壓值，發(fā)

11、現(xiàn)電壓都幾本保持不變，變化的也僅為電壓的最后一位數(shù)字，變化范圍為±1，故可以認為三個電路中是電流不變，恒流源工作正常。在誤差允許范圍內(nèi)，可以認為：Pt電阻溫度計上通過的電流為1mA，Si半導(dǎo)體溫度計上通過的電流為100A，超導(dǎo)樣品上通過的電流為10mA。在降溫過程中，記錄Pt電阻、Si半導(dǎo)體以及超導(dǎo)樣品兩端電壓，并根據(jù)電流求得相應(yīng)的電阻阻值。對于Pt電阻溫度計，其溫度與其阻值的關(guān)系滿足擬合公式：T=2.3643R+29.315，電阻單位為，溫度單位為K。如此，利用此關(guān)系，可以得出任意時候的溫度，并利用此溫度可以找出超導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系，并同時給Si半導(dǎo)體溫度計定標。在試驗中，由于有

12、溫差電動勢等影響，對于樣品的電壓測量會有一定的誤差。在試驗中，發(fā)現(xiàn)當樣品電阻接近零時，改變電流的方向，電壓測量值并不改變。重復(fù)測量之后可以確定此時超導(dǎo)體已經(jīng)達到了零電阻的狀態(tài)。表二 降溫過程中對各溫度計示數(shù)的記錄溫度（K）Pt電壓（mV）Pt電阻（）Si電壓（V)溫差電偶（mV）樣品電壓（mV)樣品電阻（）272.74102.96102.960.55234.2900.3150.0315268.75101.27101.270.56294.0960.3110.0311264.099.2799.270.57523.9470.3050.0305256.396.0096.000.59764.0980.2

13、960.0296250.493.5093.500.61423.9700.2890.0289244.591.0091.000.63053.7470.2830.0283238.688.5088.500.64723.4990.2770.0277232.686.0086.000.66393.3610.2690.0269224.482.5082.500.68633.0630.2620.0262218.580.0080.000.70552.8270.2560.0256212.577.5077.500.72262.6010.2510.0251206.675.0075.000.73962.4090.2440.

14、0244200.772.5072.500.75772.2050.2380.0238194.870.0070.000.77502.0090.2320.0232188.967.5067.500.79061.8360.2250.0225183.065.0065.000.80981.6240.2210.0221177.162.5062.500.82691.4440.2150.0215171.260.0060.000.84371.3230.2100.0210165.357.5057.500.86041.1280.2040.0204159.455.0055.000.87660.9050.1990.0199

15、153.452.5052.500.89280.8820.1930.0193147.550.0050.000.90860.6700.1870.0187141.647.5047.500.92470.9320.1810.0181135.745.0045.000.93970.7250.1750.0175129.842.5042.500.95470.4440.1690.0169127.441.5041.500.96080.7320.1660.0166125.140.5040.500.96690.6350.1640.0164122.739.5039.500.97340.8000.1540.0154120.

16、338.5038.500.97880.7700.1440.0144118.037.5037.500.98470.7190.1430.0143115.636.5036.500.99050.6850.1410.0141113.235.5035.500.99610.6210.1400.0140110.934.5034.501.00180.5750.1390.0139108.533.5033.501.00740.5310.1380.0138106.232.5032.501.01320.4600.1320.0132103.831.5031.501.01890.4430.1240.0124101.430.

17、5030.501.02450.3970.1190.011999.0629.5029.501.03000.3920.0980.009896.7028.5028.501.03580.3160.0140.001494.3327.5027.501.04110.2760.0050.000593.1527.0027.001.04390.2500.0040.000492.3926.6826.681.04570.2380.0030.000391.8726.4626.461.04670.2750.0020.000291.4526.2826.281.04770.2260.0020.000291.0726.1226

18、.121.04850.2140.0020.000290.8126.0126.011.04930.1540.0030.000390.5525.9025.901.04980.1810.0030.000390.1525.7325.731.05030.2010.0020.000290.1025.7125.711.05080.2000.0020.000290.0525.6925.691.05090.1820.0030.000390.0125.6725.671.05110.1830.0030.000389.6825.5325.531.05180.1960.0030.000388.4225.0025.001

19、.05480.1700.0030.000386.0624.0024.001.07000.0660.0030.000381.3322.0022.001.06900.0570.0030.000377.7420.4820.481.07900.0640.0030.000377.6920.4620.461.07910.0000.0030.0003圖6 樣品電阻、Si二極管電壓以及溫差電偶電勢隨溫度變化圖由于實驗中加過液氮，將恒溫器拿出了杜瓦容器，因此會有誤差，圖6中樣品電阻以及溫差電偶的熱電勢曲線都能看到有點偏離原線條。對于樣品電阻與溫度的關(guān)系，我們可以從表格或圖像中看出在溫度下降過程中，溫度較高時具有

20、較強的線性關(guān)系。大概在溫度為101.4K處開始偏離直線形狀。因此我們可以大致認為起始轉(zhuǎn)變溫度為101.4K。對應(yīng)的臨界溫度約為96.50K，而在92.39K是樣品電阻就已經(jīng)可以認為降為零了，即零電阻溫度為92.39K。對Si二極管溫度計進行標定的結(jié)果可以看出，在測量范圍內(nèi)電壓與溫度成線性關(guān)系。擬合得到的關(guān)系為U=-0.0027T+1.3004，電壓單位V，溫度單位K，線性相關(guān)系數(shù)為0.9987，具有強的線性關(guān)系。前面已經(jīng)分析過，半導(dǎo)體在很長一個溫度區(qū)間內(nèi)都有一個負的溫度系數(shù)，其導(dǎo)電主要由雜質(zhì)電離所致。實驗所測得的數(shù)據(jù)可以看出，此溫度范圍內(nèi)隨著溫度的下降，半導(dǎo)體的正向電阻的確在上升，溫度系數(shù)為負

21、，與理論所預(yù)期的相符。對于溫差電偶的測量，由于拿出過恒溫器，因此對曲線的影響極大因此沒有對曲線進行擬合。但是將曲線拼接起來可以大致看出其與溫度的大致成正比線性關(guān)系而且從數(shù)據(jù)表中可以看到，當溫度為77.69K時溫差電偶降為零。我們可以認為在實驗中我們測得液氮的溫度為77.69K。2.高溫超導(dǎo)體磁懸浮演示室溫情況下，在超導(dǎo)樣品上方放置兩厚紙片，將磁塊放置于厚紙片上。此時對超導(dǎo)樣品降溫至液氮溫度，拿掉厚紙片，發(fā)現(xiàn)磁塊穩(wěn)定地懸浮于超到樣品上方，且無法移動，無法與超導(dǎo)樣品分開。這是因為當在有磁場，且磁場處于Hc1到Hc2之間的情況下對超導(dǎo)樣品進行降溫時，導(dǎo)體在液氮溫度下達到的狀態(tài)為混合態(tài)。此時導(dǎo)體內(nèi)部的

22、狀態(tài)為超導(dǎo)態(tài)中散布一些正常態(tài)。其中的超導(dǎo)態(tài)由于MEISSNER效應(yīng)的存在而沒有磁感線穿過，而正常態(tài)中有磁感線穿過，重力、吸引力、排斥力達到平衡時使得磁塊可以穩(wěn)定在超導(dǎo)樣品上方。當這種情況稱之為場冷。再在沒有磁場的情況下將超導(dǎo)樣品降溫至液氮溫度，使之達到超導(dǎo)狀態(tài)。此時將磁塊置于超導(dǎo)體以上，無論如何都無法放穩(wěn)，可以感受到很大的排斥力。這是因為完全的超導(dǎo)體存在MEISSNER效應(yīng)，磁感線無法進入超導(dǎo)體內(nèi)部，僅當此磁感線對稱中心線與磁塊磁感線對稱中心線重合且沿豎直方向時，才有可能使磁塊穩(wěn)定放置在超導(dǎo)體上方，這種情況極難出現(xiàn)。3、高溫超導(dǎo)體的磁懸浮力測量改變高溫超導(dǎo)盤片與磁塊之間的距離，利用計算機，掃描

23、出磁懸浮力與距離之間的關(guān)系曲線。將高溫超導(dǎo)盤片和磁體降溫至液氮溫度，實驗中令磁體從與超導(dǎo)體接觸開始，逐漸遠離超導(dǎo)體，再逐漸靠近。測量這一過程中的受力，掃描力與距離的關(guān)系曲線如圖7。隨著距離的增大，超導(dǎo)盤片受到的吸引力（負值）先是逐漸增大，而后逐漸減小至0。此時開始減小二者之間的距離，發(fā)現(xiàn)隨著距離的減小吸引力逐漸增大，后又減小。當距離接近時，出現(xiàn)了逐漸增大的排斥力。這是因為，起初超導(dǎo)體處于強磁場中，為混合態(tài)，其中有正常態(tài)存在，原理如超導(dǎo)磁懸浮演示實驗中的分析，故有排斥力。又由于俘獲磁通的存在，使得增大距離和減小距離的過程中，相同距離處測得的懸浮力不同。再將高溫超導(dǎo)體降溫至液氮溫度，令磁體從遠處接近超導(dǎo)盤片再遠離，測量這一過程中的受力，掃描磁懸浮力與距離的關(guān)系曲線如圖8。當磁體開始接近超導(dǎo)體時，超導(dǎo)體給磁體的力為斥力（正值），并且隨著距離的接近，斥力急劇增大。由于超導(dǎo)盤片為非理想第二類超導(dǎo)體，其中存在缺陷和雜質(zhì)，當磁體接近超導(dǎo)體時，導(dǎo)體進入混