实验报告—高温超导

实验报告

姓名：王航班级：F0703028 学号：5070309025 实验成绩：

同组姓名：孙鼎成实验日期：2008.10.20 指导教师：助教35 批阅日期：

高温超导材料特性测量

实验目的：

1 了解高。临界温度超导材料的基本电特性和测量方法。

2 了解低温下半导体结的伏安特性与温度的关系。

3 了解低温实验的测量方法。

实验原理：

1 高温超导

在低温测量时，为了减少漏热，样品的测量引线又细又长，引线的电阻与样品的电阻相比不可忽略，对超导样品来说，引线的电阻要大很多。为了减小引线电阻和接触电阻对测量带来的影响，通常采用四线测量法。

四线测量法的方法如图1所示，外两根导线为电流端，可以流过较大的测量电流，一般采用恒流源共电。电流的大小可用标准电阻的电压算出。内两根导线为电压端，引线中流过的电流极小，这样就可以避免引线电阻和接触电阻带来的测量误差。

在直流低电压测量中，如何判断和修正乱真电势带来的影响是十分重要的。实际上，由于材料的不均匀性和温差，就有温差电势的存在。通常称为乱真电势或寄生电势。我们只要用一段短的导线把数字电压表短接，用手靠近其中一个接线端来改变温度，我们就会看到数字电压表读数的变化。在低温实验中，待测样品和传感器处在低温中，而测量仪表处在室温中，因此它们的连接线处在温差很大的环境里，并且沿导线的温度分布还会随着低温液体液面的降低、低温容器的移动等变化而变化。所以在涉及直流低电压测量的实验中，判定和消除乱真电势的影响是实验中一个十分重要的步骤。

2 高温超导材料电性

转变温度并不是只由温度决定，只有保持在外磁场、流经电流和应力等值足够低时，超导样品的转变温度被称为超导临界转变温度．由于一般上述条件不能完全满足（比如地磁场），而且超导转变往往有一个区域，因此引入起始转变温度，零电阻温度，和中点转变温度来表示，一般所说的转变温度指的是．

高温超导体样品超导特性的测量采用如图1所示的四端接法，外两根导线为电流端，连接恒流电源. 内两根导线为电压端，连接内阻非常高的电压表. 这样可以避免引线电阻和接触电阻带来的测量误差．

3 结伏安特性与温度的关系

在半导体理论中可导出结的电压和电流密度关系

其中常数，是比例因子，，是禁带宽度，称能隙电压。

对上式两边取对数，整理后得到

在正常情况下，，可见

即V将随着T的升高而减小，在流过电流不变的情况下，近似一条直线．图4给出了PN结在不同电流下两端电压与温度的关系，从图中可看出：当电流不同时，曲线的斜率也不同，若外延到，它们相交与一点，对应的电压就是V_g．由图可知，二极管PN结能在很宽的范围内测量温度，但由于制造工艺关系，其一致性不是很好，斜率不能唯一确定．

4 金属电阻

不同的材料，电阻率随温度的变化有很大的差别，它反映了物质的内部属性，是研究物质性质的基本方法之一。当温度高于绝对温度时，在金属中，电子的定向运动受到晶格的散射而呈现出电阻。研究表明，当（T / q ）> 0.5时，金属的电阻正比于温度T，其中q是德拜温度。

上述结论是对纯金属而言，而实际上金属存在杂质、缺陷、位错等，它们会对金属造成附加电阻，这部分电阻近似地与温度无关。在金属的纯度很高时，金属的总电阻率可表示为

在液氮温度以上时，，因此有。例如，铂的德拜温度为225 K，在63 K到室温的范围内，其电阻近似地正比于温度T。但精密的测量会发现它们偏离线性关系。

在液氮正常沸点温度到室温的范围内，铂电阻温度计具有良好的线性电阻温度关系，可表示为

式中A，B是不随温度变化的常数。

铂的性能稳定，电阻的温度系数较高，不易氧化，线性好，复现性好，常被用作温度的精密测量，其测量范围的低温端可达13.81 K。

在这里，我们用铂电阻作为测量温度的指示。

数据处理：

实验中，并没有按照我们预想的做高温超导材料的实验，而是只做了结与温度关系实验。实验采用四端接线法，比较简单。老师向杜瓦瓶中倒入液氮，我们小组连接好电路，等到PN结和铂电阻两端的电压稳定后开始测量数据。

为了得到与PT电压相对的温度，我们参照了实验附表的Pt100的分度表。从中我们选取了试验范围内的数据点，得到表格如下。

将这些数据导入Origin之后进行拟合，得到图线如下。

从中看出，表中所给出的数据十分符合线性关系，因此我在这里采用了线性拟合，得到铂电阻的电压-温度方程为T = -247.9288+ 2.47327 *+273.16。

因此，将试验中测出的带入方程，得到下表：

用Origin做出不同温度下的T-，如下图所示：

所得相关数据为：

I=500μA

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 1.19936 0.00367

B -0.00209 2.03565E-5

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

-0.99948 0.00435 13 <0.0001

------------------------------------------------------------

I=100μA

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 1.20217 0.00345

B -0.00237 1.91057E-5

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

-0.99964 0.00409 13 <0.0001

------------------------------------------------------------

I=50μA

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 1.20185 0.00344

B -0.00247 1.90659E-5

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

-0.99967 0.00409 13 <0.0001

------------------------------------------------------------

I=10μA

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 1.20281 0.0027

B -0.00274 1.49263E-5

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

-0.99984 0.00321 13 <0.0001

------------------------------------------------------------

I=5μA

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 1.19984 0.0022

B -0.00285 1.21654E-5

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------

-0.9999 0.00261 13 <0.0001

------------------------------------------------------------

求得五个能隙电压V分别是

注意事项

1．在等待样品升温的时候，最好不要让样品暴露在室温下，否则升温太快会导致实验数据不够准确。应该将样品放置在杜瓦瓶中减缓样品升温速度，减小误差。

2．所有盛放低温液体的容器不能盖严，必须留有供蒸汽逸出的孔道。

3．灌入低温液体时，开始要慢，实验装置不要壁。

4．主要避免低温液体触及人体，以免冻伤。

5．注意保护杜瓦容器。

误差分析

1．为了节省时间，我们往往选择一次升降温的过程测量五个数据，那么，这期间的过程一定要快，否则会带来误差。我们小组一开始测量的时候，我们并没有将样品放入容器中，而是将样品暴露在空气中继续升温，而这个时候万用表的示数事实上是会继续增长的。这就大大增加了误差。这里要感谢助教老师及时给我们指出了这个问题。

2．测量温度使用的是铂电阻，对于铂电阻，若导线电阻为，将会产生的测量误差。为了消除或减少引线电阻的影响，通常的办法是采用三线联接法加以处理。

3．与二线制接法相比，三线制接法可以减少实验误差（电路如图1，图2）：

三线制接法中，，，所以有

而二线制接法中，，所以

由以上两式得，三线制接法比二线制接法引入的误差小。

4．四线制接法误差分析：

如图3四线制接法，因为电压表内阻很大，则且

因为

所以

由此可见，引线电阻将不引入测量误差．

思考题：

1．在测量时，如何判断铜块已处在恒温状态？

答：当待测样品两端的电压在很长一段时间内不发生变化的时候，我们认为已经打到了恒温状态。

2、降温和升温时测试的曲线可能不重合，是什么原因？

答：两个原因：一、测量误差。二、我们通常所描述的二极管PN结都是理想二极管，而实际上由于工艺关系，二极管PN的性能并不理想，其一致性不是很好，因此不同方式测量时斜率有可能不同。

附件

在利用Pt两端的电压计算温度的时候，需要结合实验报告后面的表格进行插值计算。这个计算比较麻烦，因此我采用程序计算。C++代码如下：

#include<iostream>

using namespace std;

double pt[30]={18.49,22.80,27.08,31.32,35.53,

39.71,43.87,48.00,52.11,56.19,

60.25,64.30,68.33,72.33,76.33,

80.31,84.27,88.22,92.16,96.06,

100.00,103.90,107.79,111.67};

double t[30];

int main(int argc, char* argv[])

{

for (int i = 0; i < 30; i++) {

t[i]=73.15+10*i;

}

double a,b;

cout<<"Please input the number"<<endl;

cin>>a;

while (a>0)

{

int i;

for ( i = 0; i < 24; i++)

if ((pt[i]<a)&&(pt[i+1]>a)) {

b=((a-pt[i])/(pt[i+1]-pt[i]))*10+t[i];

}

cout<<b<<endl;

cin>>a;

}

return 0;

}

高温超导体简介

1911年，卡末林-昂内斯用液氦测量水银电阻时发现，当温度降到稍低于液氦的正常沸点时，水银的电阻突然降到零，这就是零电阻现象，或称超导现象。我们把具有这种特性的物体称为超导体，把电阻突然降为零时的温度称为超导转变温度。如果把电流、磁场、压力等参数维持在很小的值，在这一条件下的转变温度称为超导临界转变温度，用表示。

由于材料的化学成分不纯及晶体结构不完整等因素的影响，超导体的转变过程是在一定的温度间隔中完成的。在实际测量中引入起始转变温度，电阻温度，和中点温度来描写超导体的特性。通常所说的超导转变温度指的就是。是电阻的1/2时对应的温度。

现在数字电压表的灵敏度可以做的很高，用伏安法直接测量电阻转变已成为实验中常用的方法。

在超导现象发现后。人们一直为提高超导临界温度而努力，1986年4月，缪勒和贝德罗兹宣布一种钡镧铜氧化物的超导体的转变温度可能高于30 K，从此在全世界掀起了关于高温超导体研究的热潮。到1993年3月，超导临界温度已达到了134K。

低温物理实验的特点

1．使用低温液体(如液氮、液氦等) 作为冷源时，必须了解其基本性质，注意安全。例如，液氮的正常沸点是77.4K，三相点温度为63K；液氦的正常沸点是4.2K，常压下不固化。又如，液氮的汽化潜热很大，液氦的汽化潜热很小，但冷氦气的显热却很大。再如，使用低温液体，切不可溅到皮肤上，应防止冻伤；氮气是窒息性气体，应防止大量氮气淤积在工作室内。

2．进行低温物理实验时，离不开温度的测量。对于各个温区和各种不同的实验条件，要求使用不同类型和不同规格的温度计。例如，在的温度范围内，常使用铂电阻温度计。然而，用作国际温标内插仪器的标准铂电阻温度计，与实验室用的小型铂电阻温度计和工业用的铂电阻温度计相比，不仅体积要大得多，而且结构也要复杂得多。又如，与具有正的电阻温度系数的铂电阻温度计不同，锗和硅等半导体电阻温度计具有负的电阻温度系数，在30K 以下的低温具有很高的灵敏度；利用正向电压随温度变化的PN 结制成的半导体二极管温度计，在很宽的温度范围内有很高的灵敏度，常用作控温仪的温度传感器; 温差电偶温度计测温结点小，制作简单, 常用来测量小样品的温度变化；渗碳玻璃电阻温度计的磁效应很弱,可用于测量在强磁场条件下工作部件的温度等。我们必须了解各类温度传感器的特性和适用范围, 学会标定温度计的基本方法。

3．在液氮正常沸点到室温的温度范围, 一般材料的热导较差，比热容较大，使低温装置的各个部件具有明显的热惰性，温度计与样品之间的温度一致性较差。

4．样品的电测量引线又细又长，引线电阻的大小往往可与样品电阻相比。对于超导样品，引线电阻可比样品电阻大得多，所以四引线测量法具有特殊的重要性。

5．在直流低电势的测量中，克服乱真电动势的影响是十分重要的特别是，为了判定超导样品是否达到了零电阻的超导态，必须使用反向开关。

关于德拜温度

德拜早期从事固体物理的研究工作。1912年他改进了爱因斯坦的固体比热容公式,得出在常温时服从杜隆－珀替定律,在温度时和成正比的正确比热容公式。他在导出这个公式时,引进了德拜温度的概念。每种固体都有自己的值。当时, 固体的热学性质量子效应显著；时，量子效应可以忽略。1916年他和P.谢乐一起发展了用X射线研究晶体结构的方法，采用粉末状的晶体代替较难制备的大块晶体。粉末状晶体样品经X 射线照射后在照相底片上可得到同心圆环的衍射图样（德拜-谢乐环），它可用来鉴定样品的成分，并可决定晶胞大小。1926年德拜提出用顺磁盐绝热去磁致冷的方法，用这一方法可获得1K以下的低温。