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(nèi)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．而在低溫測量中廣泛應用的電阻溫度計，完全是建立在對各種類型材料的電阻-溫度關系研究的基礎上的．4.204.224.204.224.244.264.28圖C.2.1汞的電阻與溫度關系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（分別為位的數(shù)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0圖C.2.2轉變寬度１.超導體的基本特性——0圖C.2.2轉變寬度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(nèi)，從急劇地變?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：起始轉變溫度是指電阻隨溫度的變化偏離線性的溫度；臨界溫度是指電阻值下降到時所對應的溫度，零電阻溫度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，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(nèi)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：（C.2.1）式中為真空磁導率，為介質(zhì)的相對磁導率，為磁化率．當發(fā)生正常態(tài)到超導態(tài)的轉變時，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(nèi)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(zhì)的磁導率的關系如下：（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.臨界電流圖C.2.3四引線法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(chǎn)生的磁場（自場）超過臨界磁場引起的．各超導體臨界電流的大小，除和超導材料組成和結構有關外，對同一種超導材料而言，與其截面積的大小和形狀有關．圖C.2.3四引線法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