高温超导

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实验日期：               指导教师：             

【摘要】本实验主要研究了高温超导体的零电阻现象及迈斯纳效应。测量了高温超导体的超导转变曲线，得到其起始转变温度为99.82K，临界温度为92.99K，零电阻温度为91.76K，转变宽度为3.78K。对比了铂金属电阻与硅二极管电阻与温度的关系并测量了温差电偶电动势与温度的关系。通过研究超导体在场冷和零场冷的情况下的磁悬浮力情况，对第Ⅱ类超导体特性进行进一步分析和理解。

关键词：高温超导体  零点阻现象 迈斯纳效应 磁通俘获 磁悬浮

一、 引言：1911年荷兰物理学家卡墨林·翁纳斯发现了低温超导体，自此以后科学家对超导电性理论和超导技术以及超导材料进行了大量的研究。超导科技发展大体分为三个阶段。第一阶段（1911年——1957年）是人类对超导电性的基本探索和认识阶段， BSC超导微观理论问世。第二阶段（1958年——1985年）属于开展超导技术应用的准备阶段。第三阶段（1986年——）是超导技术开发阶段，自1986年发现超导转变温度高于30K的超导材料后开始。1986年6月，贝德诺和缪勒发现金属氧化物Ba-La-Cu-O材料具有超导电性，其超导转变温度为35K，在13K达到零电阻。随后世界各地的科学家们相继取得了突破性的进展。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。超导电性的应用十分广泛。

    本实验通过对氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性；了解超导磁悬浮的原理；了解金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应；掌握低温物理实验的基本方法；低温的获得控制和测量。

二、实验原理：

同时具有完全导电性和完全抗磁性的物质称为超导体，完全导电性和完全抗磁性是超导电性的两个最基本性质。

1. 零电阻现象：把某种金属或合金冷却到某一特定温度以下，其直流电阻突然降到零的现象。其中，叫做超导体的临界温度，是由物质本身的内部性质确定的、局域的内秉参量。物质的超导电性：低温下发生的零电阻现象。超导体：具有超导电性的材料。  只有在直流情况下才有零电阻现象。

超导临界温度的定义：①理论上，当外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度。②实验中，用电阻法测量临界温度时通常把定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度，也称作超导体转变的中点温度。:起始转变温度，降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度。：完全转变温度（即零电阻温度），电阻刚刚完全降到零时的温度。:转变宽度，电阻变化10％到90％所对应的温度间隔；其大小反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品较窄，反之较宽。

实验中超导体的电阻转变曲线：

   

 图一 超导体的电阻转变曲线                     图二 超导体的磁性

2. 迈斯纳效应：当把超导体置于外加磁场中时，磁通不能穿透超导体，而使体内的磁感应强度始终保持为零。不管加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零。超导体的磁状态是热力学状态，即在给定的条件下，它的状态是唯一确定的。

临界磁场（）：对超导体施加磁场，当磁场达到某一值时，允许磁场穿透，超导电性被破坏。通常把相应的磁场称为临界磁场。

根据两类可区分的磁行为将超导体分为两种超导体：①第类超导体，在以下，临界磁场随温度下降而增加。②第Ⅱ类超导体，分为理想第Ⅱ类超导体（磁化行为呈现完全可逆）和非理第Ⅱ类超导体，在超导态和正常态之间存在过渡的中间态，有两个临界磁场（下临界磁场）和（上临界磁场）。状态与外加磁场的关系如图三所示。

图三  第Ⅱ类超导体状态与外加磁场的关系

      临界电流密度：当超导体通以电流时，无阻的超流态要受到电流大小的控制，当电流达到某一临界值后，超导体恢复到正常态，称为临界电流，相应的电流密度为临界电流密度。

      与是相关的，外加磁场越强，临界电流就越小。依赖于温度，随温度升高而减小，并在转变温度时降为零。在较高温度下减小。

     临界温度、临界电流密度 和临界磁场是超导体的三个临界参数，与物质的内部微观结构有关。

3. 磁通俘获：对于第Ⅱ类超导体当外加磁场H升到高于时，不存在完全的迈斯纳效应，磁通线要进入到超导体中。撤掉磁场后，超导体仍保留一定的磁力效应，残留一个俘获磁通。

4.钉扎力和钉扎中心：非理想第Ⅱ类超导体中俘获磁通是稳定的，这个阻碍磁通线运动的力来自缺陷，叫做钉扎力，缺陷叫做钉扎中心。

5.电阻温度特性：根据马德森定则，金属中总电阻率为：        （1）

表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关；（剩余电阻率）表示杂质和缺陷对电子的散射引起的电阻率，一般不依赖于温度，与杂质和缺陷的密度成正比。

杂质和缺陷可以改变金属电阻率的数值，但不改变电阻率的温度系数。

 在液氮正常沸点（77.4K）到室温温度范围内，铂电阻与温度具有良好的线性关系。

三、实验内容：

实验仪器：不锈钢杜瓦容器，低温恒温器 ， BW2型高温超导材料特性测试装置， PZ158型直流数字电压表，高温超导磁悬浮演示装置

实验装置图：

图四  低温恒温器和杜瓦容器结构

 实验方法：（1）用四引线测量法测量电阻，减小甚至排除了引线和接触电阻对测量的影响。（2）在四引线法的基础上增设了电流反向开关，消除测量电路中固有的乱真电动势的影响。

图五 四引线法测量电阻

实验步骤：1.室温测量

2.液氮的灌注

3.低温温度计的对比

4.超导转变曲线的测量

5.高温超导体的磁悬浮演示

6.高温超导体的磁悬浮力测量

四、实验数据处理与实验结果分析：

1.室温测量：铂电阻  U=107.87     I=100.00Ma    得到：R=107.87Ω

            硅二极管 U=0.5113V   I=100.00uA    得到：R=5113Ω

            样品 :   U=0.129mV   I=10mA        得到：R=0.0129Ω

           温差电偶：U=0.065mV

2.低温温度计的对比：根据实验记录的数据，由于铂电阻温度计已经标定，性能稳定，

且具有较好的线性电阻温度关系，故根据铂电阻温度计的电阻-温度关系：

 ,                       (2)

由相应温度下的铂电阻温度计的电阻值确定紫铜恒温快的温度，再以温度为横坐标，分别以所测得的硅二极管的正向电压值和温差电偶的温差电动势值为纵坐标，画出它们随温度变化的曲线，如图六、图七所示

             图六  硅二极管的正向电压值与温度变化的关系

在电流一定的情况下电阻与电压成正比。所以图六也反映硅二极管的电阻值和温度变化的关系。根据图六我们可以得出结论：硅二极管在一定温度范围内具有负的电阻温度系数。与铂温度计比较，我们可以利用硅二极管的这一特性来弥补金属电阻温度计在低温区电阻值和灵敏度降低的缺陷。

             图七 温差电偶的温差电动势值与温度变化的关系

用线性多项式对温差电偶两端的电动势值与温度关系曲线进行拟合，拟合的非常好，说明在误差允许的范围内温差电偶两端的电动势值与温度呈现多项式关系，温差电偶两端的电动势随着温度的升高而呈上升趋势，慢慢降温的过程中温差逐渐减小直至趋于零。

3. 超导转变曲线的测量：根据加在样品两端的电流及电压算出电阻，根据铂电阻的电阻与温度关系得出温度，根据得出的数据绘制样品电阻与温度的关系图，如图八：

图八    超导转变曲线

   根据图八，在降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的电阻为0.0049Ω，起始转变温度，电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度零电阻温度，转变宽度。

4．超导材料磁浮力测量实验：分别在无磁场的情况下与有磁场的情况下让超导体发生相变（即零场冷和场冷），测量其磁悬浮力。

（1）在无磁场时使超导体相变（零场冷）的实验中，我们令磁体从远距离处逐渐接近超导体，在几乎接触时再逐渐远离，测量这一过程中的受力如图九：

                   图九 零场冷磁悬浮力与距离的关系图

图中力为正值时表示的是排斥力，负值时为吸引力。可以看出，当磁体开始接近超导体时，超导体给磁体的力为斥力，并且随着距离的接近，斥力急剧增大；当磁体远离超导体时，斥力随距离的增大急剧减小，甚至出现了表现为引力的情况，故可以知道当磁体与超导体距离很近时，由于磁场十分强，使超导体进入混合态，一部分磁感线“留”在了超导体内，并被超导体所禁锢，因此当磁体远离超导体时，由于磁感线被禁锢在超导体中，使得当距离远到一定程度时，磁感线无法从超导体中脱离，故产生了引力。

（2）在有磁场存在时使超导体相变（场冷）的实验中，首先使磁体与超导体接近，在此情况下使超导体相变，相变后测量磁体远离超导体过程中所受到的力的变化，以验证超导体混合态的存在。实验测量的磁悬浮力曲线如图十：

                   图十  场冷磁悬浮力与距离的关系图

      可以看出，增大或减小间距都有一段表现为吸引力。场冷情况下磁体离开，超导中会存留俘获磁通，所以当磁体再次减小间距时，残留的俘获磁通与磁体之间有吸引力。

 5. 磁悬浮现象及解释：

现象一：把超导盘冷却到超导临界温度以下时，把磁块慢慢放到超导盘上。磁块与超导盘之间有斥力，翻转磁铁，仍然受到斥力作用。

解释：磁力线完全被排斥在超导体外，超导体具有完全抗磁性。

现象二：将磁块与超导盘放在一起，冷却。当超导盘冷却为超导体后，磁块悬浮起来，保持在某一平衡位置。磁铁靠近时两者之间有斥力，远离时两者之间有引力。

解释：靠近时磁力线不能进入超导体内，在超导体表面形成很大的磁通密度梯度，感应出高临界电流，从而对磁铁产生排斥。超导体与磁块之间的排斥力随相对距离的减小而逐渐增大，克服磁块的重力，使磁块悬浮在超导体上方的一定高度上。当磁体远离时，超导体中产生负的磁通密度，感应出反向的临界电流，超导体与磁块之间产生引力，克服超导体的重力，使其倒挂在永磁体下方的某一位置。

       误差分析：数据处在不断变化中，尤其在转变温度附近变化非常快，没办法做到同时记录。导致电阻或电压与温度之间不是严格对应而对测量造成一定的误差。

五、结论与建议：本实验对比了铂金属电阻与硅二极管电阻与温度的关系，发现硅二极管在一定温度范围内具有负的电阻温度系数。测量了温差电偶电动势与温度的关系。测量了高温超导体的超导转变曲线，得到其起始转变温度为99.82K，临界温度为92.99K，零电阻温度为91.76K,转变宽度为3.78K。通过研究超导体在场冷和零场冷的情况下的磁悬浮力情况，对第Ⅱ类超导体特性进行进一步分析和理解。

六、参考文献：

①  高温超导补充讲义 北京.北京师范大学近代物理实验室

②  熊俊.近代物理实验.北京.北京师范大学出版社.20##年8月

 

第二篇：实验报告高温超导相关实验

近代物理实验I

实验报告

高温超导相关实验

实验者： 明亮 08300190034

合作者： 余高 08300190057

林杰 07300190016

指导教师： 姚红英

汪人甫

高温超导相关实验

摘要：本实验中通过制备高温超导块材YBaCuO，并对高温超导块材YBaCuO与Bi系高温超导片材的相关性质进行测量与观察，了解高温超导材料的基本电磁学特性

关键词：高温超导，零电阻现象，完全抗磁性

一、 实验目的

1. 制备高温超导块材YBaCuO

2. 测量高温超导块材YBaCuO与Bi系高温超导片材的转变温度，理解超导材料的零电阻现象

3. 观察高温超导块材YBaCuO的电磁感应屏蔽与磁悬浮现象，理解超导材料的完全抗磁现象

二、 实验原理

1. 高温超导块材YBaCuO的制备化学反应方程式O2? Y2O3? 4BaCO3? 6CuO ? 2YBaCuO7? 4CO2

2. 超导材料的零电阻现象

超导材料冷却到TC之下时其直流电阻会突然降到零，使电阻突然消失的温度TC称为超导体的临界温度，测量时因为转变宽度ΔTC的存在，通常把样品电阻降到转变前正常态电阻值一半时的温度定义为超导体的临界温度TC

3. 超导材料的完全抗磁性 对于理想导体，由麦克斯韦方程组可知，在从

正常态到零点组态的时候，守恒的量为磁通密

度，即理想导体在磁场中的行为与过程有关；

但超导体的实际情况是超导状态下磁通密度恒 为零，这是由于超导体虽然与理想导体的电阻

均为零，但是超导体的表面可以被极化，产生

的屏蔽电流抵消了外场的影响，使得净磁通为 零。所以超导体在磁场中的行为与过程无关，在给定条件下的状态是唯一的，在超导状态下表现出完全抗磁性

三、 实验记录及分析

1. 高温超导块材YBaCuO的制备

1) 化学反应方程式O2 + Y2O3 + 4BaCO3 + 6CuO = 2YBaCuO + 4CO2

原材料：Y2O3（0.76g），BaCO3（2.64g），CuO（1.60g），充分研磨后共得到混合材料5.00g

高温超导块材YBaCuO的晶体类型属于有缺陷的钙钛矿结构

晶体结构中有两种CuO层：一个Cu与五个O构成金字塔二

维CuO2层， Cu与近邻两个O构成一维CuO链

其中两个二维CuO2金字塔层夹住一个Y，CuO2与CuO一维链

所在层间隙中是Ba

只有二维的CuO2层是超导层，在超导状态下这个层中的原子

核与内层的电子将会被束缚

其他绝大多数高温超导材料中例如BiSr2CuO6，HgBa2Ca2Cu3O9，

TlBa2Ca2Cu3O9都属于层状钙钛矿结构，超导层都是CuO2层

2) 实验器材

AI-708P(V6.5)程序型智能温度调节器 压块模具 油压压片机

3) 制作方法

i. 第一次焙烧

将混合材料放入刚玉舟中推入管式炉中央，打开管式炉开关，设置程序

60'600'自然冷却24?C???770?C???770?C?????24?C

得到反应后的样品混合物粉末4.197g（理论值）

ii. 压块

经过化学反应，得到去CO2以后初步反应的中间产物，再次研磨后放入模具中进行压制，油压压片机压力为8MPa

得到4块正常规格样品块，一块略薄样品块

iii. 第二次焙烧

将样品依次排放在刚玉棒上推入管式炉中央，接好氧气导管，设置程序

60'1200'60'24?C???840?C????840?C???650?C

60'自然冷却650?C???650?C?????24?C

在温度上升至200?C的时候打开氧气阀门，通气速

率指示为8

26小时后温度低于200?C，关闭氧气阀门，待温度

降低后取出样品

得到YBaCuO样品总共4.46g（理论值）

2. 高温超导块材YBaCuO转变温度的测量

1) 接线方法：四引线法

由于氧化物超导样品的室温电阻通常只有10?1~10?2?

左右，而为了减少漏热被测样品的电引线很细、很长，

而且测量的样品室的温度变化很大，大约从200K到

77K，这样引线电阻较大而且不稳定。另外，引线与样

品的连接也不可避免出现接触电阻。

为了避免引线电阻和接触电阻的影响，实验中采用四线法两根电源引线与恒流源相连，两根电压引线连至数字电压表，用来检测样品的电压。根据欧姆定律，即可得样品电阻，由样品尺寸可算出电阻率。

2) 温度控制方法：温度梯度法

利用杜瓦容器内，液面以上空间存在的温度梯度来取得所需

温度的一种简便易行的控温方法，我们实验中采用此法。温

度梯度法要求测试探头有较大的热容量及温度均匀性，并通

过外加铜套使样品与外部环境隔离，减少样品温度波动。

样品温度的控制则是靠在测量过程中改变探头在液氮容器内

的位置来达到温度的动态平衡，故又称为连续测量法，其优

点是测量装置比较简单，不足之处是控温精度及温度均匀性

不如定点测量法好。

3) 高温超导体电阻特性曲线

在多组的测量数据中选择比较好

的一幅图像，其中转变温度81K的

曲线为温度下降时绘制的曲线，转

变温度116K的曲线为温度上升时

绘制的曲线

两条曲线并不重合，而是在温度上

存在35K的分离。经过分析，应该

是因为超导的产生是样品微观结

构的一种相变。

据理论分析，超导的产生原因之一

是原子核与内层电子由于低温热

运动降低，被束缚在晶格点位置，

对电子的碰撞阻挡减少。但是另一个非常重要的原因是电子声子耦合，Fermi面附近电子激发后组成Cooper对，所有的Cooper对可凝聚在低于费米能级的同一能级上。耦合之后可以产生隧穿，从而彻底穿过晶格上原子核的阻挡，达到超导状态。

而这种耦合是量子化的，需要有足够的温度差以放出能量；拆散时也需要环境有足够的温度以便吸收能量。所以在测量超导转变温度的时候会如图像中所示，随着温度的升高或者降低得到两条图像。

3. Bi系超导片材转变温度的测量

因为Bi系超导片材正常状态下电阻值就非常低，所以我们对实验电路图进行了改进：换用了功率更大的电源，

串联了200Ω电阻使电路更加的稳定，更换了更灵敏的电压表。但是实验效果并不理想，在温度为110K时，电压

从0.01mV变为0.00mV，现象不明显。 但是因为已经是仪器的测量极限，所以最终放弃了精细 的测量，只从定性的角度上看110K

4. 高温超导块材YBaCuO电磁感应屏蔽现象的观察

这部分实验是观察样品的完全抗磁性，考虑到完全抗磁性的理论成因与实验室的现有条件，我们对实验进行了如下设计

将样品如图所示用线圈缠绕，当进入超导状态后因为样品完全抗磁，所以会阻止磁通在其内部的产生，所以另一侧的线圈中磁通就不会有明显变化，示波器上就不会

有感应电压显示。

实验结果被拍成了视频文件，各个代表性时间点截图如下

5. 高温超导块材YBaCuO磁悬浮现象的观察

因为超导材料具有完全抗磁性，所以在磁场中会排斥磁通密度大的方向，即不会完全贴近永磁体，所以会克服重力产生悬浮的现象。根据实验室的条件如图设计实验，观察超导材料的磁悬浮现象。

因为实验条件所限，试管为单层玻璃试管，所以在倒入液氮以后试管表面有霜的凝结，影响观察的清晰度。但是逆光拍摄的时候也可以看出样品已经悬浮在空中

实验结果被拍成了视频文件，观察现象截图如下

１ ４

２

３

５ ６

四、 参考资料

超导转变温度的测量 高温超导

改进实验仪器测量Bi／Ag线材的超导转变温度

1007-2934(2010)04-0004-02

固体物理

半导体物理

BiSrCaCuO高温超导体系相关系及薄膜热稳定性研究

YBa２Cu３O６＋ｘ Background（PowerPoint）

超导电性（PowerPoint）

钇钡铜氧，高温超导

近代物理实验讲义

Phylab网站

大学物理（2010.4）

作者：华波，汪人甫，姚红英

北京大学出版社 作者：阎守胜

电子工业出版社 作者：刘恩科，朱秉升，罗晋生

上海交通大学硕士学文论文 作者：葛超

June-1999 Southern Methodist University

7月-2011 上海复旦大学

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