高温超导实验报告

高温超导材料的特性与表征

摘要 本实验中我们通过控制超导样品距离液氮面的距离达到控制温度的效果，测量高温超导材料两端电压得到高温超导材料的转变曲线，以及硅二极管的正向电压和温差电偶的温差电动势随温度的变化曲线。高温超导体的磁悬浮演示，以及零场冷和冷场情况的比较进一步加深了对钉扎力和磁通俘获的效应的理解。

关键词 高温超导，超导磁悬浮，转变曲线

引言 从1911年荷兰物理学家卡墨林翁纳斯发现低温超导体到现在，超导科技发展大体经历三个阶段。基本探索认识阶段，，开展超导技术应用的准本阶段，自1986年发现超导转变温度高于30K的超导材料后，人类逐渐转入超导技术的开发时代，此后发现了大量高温超导体，转变温度不断提高。讲转变温度高于液氮温度的氧化物超导体又称为高温超导体。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。

本实验中我们通过对氧化物高温超导材料超导转变曲线的测量和磁悬浮演示，加深理解了超导体的零电阻现象和MEISSNER效应这两大重要特征。同时了解超导磁悬浮原理，金属和半导体电阻随温度的变化，温差电效应以及低温物理实验的基本方法和技巧。

原理

1）超导现象：电阻突然跌落为零，或称零电阻现象，并将具有此种超导电是的物体称作超导体（只有爱直流电情况下才有零电阻现象）

Tc（超导临界温度）：即当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值是超导体呈现超导态的最高温度。

Tc，onest（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。

ΔTc（转变宽度）：电阻变化10%到90%所对应的温度间隔。

Tc₀(零电阻温度)：电阻刚刚完全降到零是的温度。

1） MEISSNER效应：超导体在磁场中产生感应电流，且超导体电阻为零，感应电流一直存在，产生与周围磁场相反的“屏蔽磁场”，顾超导体内磁感应强度总是零，且与家磁场的先后顺序无关。

2）临界磁场Hc：当磁场达到某一定值是，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许磁场穿透，破坏超导电性。本实验研究的高温超导体属于第二类超导体，存在下临界磁场Hc1，混合态H和上临界磁场Hc2.而第一类超导体只有一个临界磁场，并且没有混合态。

3）临界电流密度：当电流达到某一临界值Ic后，超导体将恢复到正常态，我们称这个电流值为临界电流，随温度的升高而减小。

4）钉扎力和钉扎中心：只有体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为才呈现完全可逆，称为理想第二类超导体，反之叫做非理想第二类超导体或硬超导体。

非理想的第二类超导体存在缺陷，当H》Hc1时缺陷阻止磁场进入，当车去磁场是，缺陷也将阻止磁场离开超导体，因此形成了磁通俘获。非理想的第二类超导体中俘获磁通是稳定的，说明其中的涡旋线存在一种力，克服洛伦兹力，使涡旋线保持稳定（当外磁场为零时把这种力叫做钉扎力，缺陷叫做钉扎中心）。

5）纯金属材料的电阻温度特性：纯金属晶体的电阻是由晶体的电子被晶格和晶格中的缺陷的热振动散射引起的。杂质和缺陷不影响电阻的变化率。半导体电阻随温度的变化率小于零，这是半导体有别于金属的一个重要特征。

实验

1）仪器和实验方法：

l 低温恒温器和不锈钢杜瓦容器，用于低温温度的获得和控制，控温程序是从高温到低温，液氮温度为77.4k。装在杜瓦瓶中，方法是利用液面以上空间存在的温度梯度来获得所需的温度，样品温度及降温速率的控制是靠在测量过程中改变低温恒温器在杜瓦容器内的位置来实现。只要降温速率足够慢，就可以认为在每一时刻都达到了温度的动态平衡。

l 电测量设备:BW2型高温超导材料特性测试装置，灵敏度为1微伏的PZ158型直流数字电压表。

i. 四引线测量法：恒流源通过两根电流引线将测量电流提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线来测量电流在样品上所形成的电势差，由于两根电压引线与样品的接点处在两根电流引线的接点之间，因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响，又由于数字电压表的输入阻抗很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。

ii. 超导样品测量电路：即使电路中没有来自外来电源的电动势，只要材料存在不均匀性和温差，就有温差电动势存在，通常称为乱真电动势或寄生电动势。为了消除直流测量电路中固有的乱真电动势的影响，我们在采用四引线测量法的基础上还增设了电流反向开关，用以进一步确定超导体的电阻确已为零。

2）实验内容：

1. 室温测量：打开直流数字电压表，电源盒，铂电阻，硅二极管和超导样品的开关，电压表量程设为200mV。

（1）调节工作电流，测量记录电流和相应的电压。

（2）转换开关换至“温差电偶”和“液面计”，观察电压表的示值

2. 液氮的灌注：首先检查和清理杜瓦容器，然后将输液管的一段插入贮存液氮的杜瓦容器中并拧紧固定螺母，并将输液管的另一端插入实验用不锈钢杜瓦容器中，然后关闭贮存杜瓦容器上的通大气的阀门，使液面位置距离瓶口30cm。

3. 低温温度计的比对：利用铂电阻的低温稳定的特点，以温度为横坐标，测硅二极管的正向电压值和温差电偶的温差电动势，作为纵坐标，画出它们随温度变化的曲线。

4. 在低温温度计比对的同时，观察和记录超导样品两端电压示数。

5. 高温超导体的磁悬浮力测量

（1）压力—位移曲线测试（2）压力—时间曲线测试

数据处理和实验结果分析

1. 原始数据处理

1）由铂电阻温度和超导样品两端电压绘制出超导转变曲线，如图一所示：

图一超导转变曲线

由图一可知，起始转变温度Tc，onest约为101.4588K，零电阻温度Tc0约为91.28672K。

3）由铂电阻温度和硅二极管正向电压，绘制出硅二极管正向电压—温度曲线，如图二所示：

图二硅二极管正向电压—温度曲线

由此可见，硅二极管的电阻随温度的升高而线性减小，回归方程为y = -0.0015x + 0.8651 ，R²=0.9988 。

3）由铂电阻温度和温差电偶温差电动势，绘制出温差电偶温差电动势—温度曲线，如图三所示：

图三温差电偶温差电动势—温度曲线

可见，温差电阻的温差电动势随温度的升高而线形增大，回归方程为：

y = 0.0218x - 2.031 ，R²=0.9861 。

在超导样品电压趋近与零时，反向电压与正向电压一致，说明排除了乱真电动势。

2. 实验结果与分析：

1）压力—位移曲线测试

零场冷实验，压力—位移曲线如图四所示：

图四零场冷压力位移曲线

场冷实验，压力—位移曲线如图五所示：

上行图五场冷压力—位移曲线

零场冷实验即在没有磁场的情况下使样品达到超导态，当磁体下行时，样品中感应电流产生磁场，对磁体的排斥力随磁体的靠近而增大，当磁体上行时，斥力逐渐减小到零并转变为引力。而场冷实验是在已经有磁场的情况下使样品达到超导态，由图五所示，不论上行还是下行过程，都有一段表现为吸引力。两次实验的不同是由于先有磁场的情况下，当磁体离开后超导体中还存留了一个俘获磁通，所以当磁体再次下行时，残留的俘获磁通与磁体的磁场吸引，因此图五中下行曲线才有呈现引力的部分。

2）压力—时间曲线测试

a.零场冷实验，压力—时间曲线如图六所示，压力随时间逐渐减小，原因如下：1.覆盖在超导体表面的液氮面下降，，导致压力减小。2.磁场逐渐进入样品中，使得感生磁场变弱，使得斥力减小。

b.场冷实验，压力—时间曲线如图七所示，从总体趋势上看，猜想引力不随温度改变。引力变大的原因可能是液氮面下降导致超导体表面压力下降，于是大胆地加入一些液氮，果然引力又下降了，从而证实了猜想。

比较：零场冷实验中，磁场逐渐进入样品中。而场冷实验中，磁场从一开始就已经在样品中了，没有逐渐变化的过程。

图六零场冷压力—时间曲线

图七场冷压力—时间曲线

3）磁悬浮演示实验：浮起的磁铁无法上下移动，可以在固定的高度旋转，也可以翻转过来，是由于钉扎力的作用。

结论 通过实验绘制出了超导转变曲线，硅二极管的正向电压和温差电偶的温差电动势随温度的变化曲线。完成了高温超导体的磁悬浮演示，以及零场冷和冷场情况的比较，与阅读的文献结果基本一致。

参考文献 H.K.Onnes,Leiden Comm.120b,122b,124c(1911)

吴思诚，王祖铨.近代物理实验（第三版）.北京：高等教育出版社，2005

林木欣.近代物理实验教程.北京：科学出版社，2000

第二篇：高温超导材料特性测试实验报告

高温超导材料特性测试

物理学系 201211141010 安宇森

【摘要】本次实验，我们利用液氮冷却测量了铜-康温差电偶的超导特性曲线。通过对Pt电阻温度计的特性曲线的测量，确定超导临界温度。最后，我们对磁悬浮现象以及抗磁性实验进行了观测。

【关键词】超导临界温度迈斯纳效应

【Abstract】 In this experiment, we use the liquid nitrogen to cool down the temperature and then we observe the superconductivity of the materials. Through the measurement of the pt thermometers, we find the critical temperature of the superconductor. At last , we observe the resistance of the magnet in the superconductor.

【key words】 superconductivity critical temperature Misner effect

【引言】

超导是指某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H·卡茂林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

【实验原理】

2.1 超导体的基本特征

当电流、磁场及其它外部条件（如应力、辐照等）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量高温度，被定义为临界温度。实验上，用电阻法测定临界温度时，一般都会得以如图 1曲线，在此曲线中，通常把降温过程中电阻温度曲经开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度T_c,onset，把临界温度T_c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T_cm。把电阻变化10%到90%所对应的温度区间定义为转变宽度，反应了样品的好坏程度。

1933年，Meissner通过实验发现，无论加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零，即使超导体在处于外磁场中冷却到超导态，也永远没有内部磁场，它与加磁场的历史无关。这个效应被称为Meissner效应。

磁场加到超导体上之后，一定数量的磁场能量用来立屏蔽电流的磁场以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许有磁场穿过，即破坏了超导电性。从磁感线的模型上分析，可以认为，对于超导体，当外界磁场过强时，部分磁感线会穿过超导体，并被“禁锢”于其中，而此时超导体仍处于零电阻的超导态，此状态为超导的混合态，而此时的超导体具有一定的磁性。

2.2 电阻温度特性

对于纯金属材料，电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。金属中，总电阻率可以表示为：

( 1)式中，表示晶格热振动对电子散射引起的电阴率，与温度有关，电阻与温度的关系决定于晶格振动散射。表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，在金属中杂质和缺陷散射的响一般是不依赖于温度的，而与杂质与缺陷的密度成正比。正因如此，杂质与缺陷只会改变金属电阻率的数值，而不会改变电阻率的温度系数。正因为金属电阻率中有一项十分依赖于温度的存在，所以金属可以用来作为温度计的测温元件。

对于半导体材料，本征半导体的电阻率为

电阻率由载流子浓度及迁移率决定。但由于载流子浓度随温度升高而指数上升，迁移率随温度升高而下降较慢，所以本征半导体的电阻率随温度上升而单调下降，有负的温度系数。对于杂质半导体，载流子由杂质电离及本征激发产生，其电阻率与温度的变化关系较为复杂。总体上，可以理解为：极低温度下，几乎没有自由载流子，电导为“杂质能级电导”，电阻随温度的上升而迅速下降；低温下，本征激发可以忽略，载流子主要由杂质电离产生，浓度随温度上升而上升，迁移率随温度升高而增加，温度系数为负；温度再高的饱和区，本征激发还不明显，杂质已全部电离，载流子浓度也不再变化，由声子散射，温度系数为正；其后的本征区，载流子主要由本征激发提供，浓度随温度升高而迅速增加，其温度系数又为负。

由于半导体在一定温度范围内具有负的电阻温度系数，根据半导体低温区电阻温度关系，可以用半导体制作温度计的测温元件。本实验的另一个主要目的就是为硅二极管温度计定标。

2.3 测量原理以及测量设备

为了得到从液氮的正常沸点77.4 K到室温范围内的任意温度，我们采用如图2所示的低温恒温器和杜瓦容器。电测量设备的核心是一台称为“BW2 型高温超导材料特性测试装置”的电源盒和一台灵敏度为1μV 的PZ158 型直流数字电压表

电阻测量的原理电路如图3所示。其中，Rn、Un为标准电阻及其上电压，Ux为待测样品电压。

低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线又细又长，其阻值远远超过如超导样品阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用 “四引线测量法”，基本原理是：恒流源通过两根电流引线将测量电流I 提供给待测样品，数字电压表通过两根电压引线测量电流I 在样品上形成的电势差U. 由于两根电压引线与样品接点处在两根电流引线接点之间，排除了电流引线与样品之间接触电阻对测量的影响，又数字电压表输入阻抗很高，电压引线电阻以及它们与样品间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。另外，在低温物理实验中，即使电路中没有来自外电源的电动势，只要存在材料的不均匀性和温差，就有温差电动势存在，称为乱真电动势或寄生电动势，所以增设了电流反向开关，用以进一步确定超导电阻确已为零。铂电阻、硅二极管测量电路、超导样品测量电路、温差电偶及定点液面计的测量电路及电加热器电路分别如图4所示。

实验开始前先把“BW2 型高温超导材料特性测试装置”(以下称“电源盒”)面板上虚线所示的待连接导线按图4所示接好，并将PZ158 型直流数字电压表与“电源盒”面板上的“外接PZ158 ”相连接。将“装置连接电缆”两端的19 芯插头分别插在低温恒温器拉杆顶端及电源盒右侧面的插座上。打开PZ158 型直流数字电压表的电源开关(将其电压量程置于200 mV 档)以及“电源盒”的总电源开关，并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品三个分电源开关，调节铂电阻温度计工作电流为1 mA，测量并记录其室温的电流和电压数据。

【实验过程】

1 按照指示步骤，校准仪器并测量室温下各个样品的电压。

2 液氮的灌注：用管子将液氮从储藏瓶中灌注到暖瓶中。

注意：管子在很低的温度下会变得异常坚硬，注意防止将暖瓶碰倒导致安全上的事故。同时，实验过程中需要戴手套，防止被冻伤。

3 将液氮倒入杜瓦瓶中，液氮的液面距离杜瓦瓶瓶口30cm左右比较合适。

4 将样品伸入杜瓦瓶中，同时将开关掰到液面计位置，观察液面计的变化。此举是为了防止样品被完全浸到液氮当中造成传热上的过快，使得无法观察到超导出现的状态。若将样品伸入液氮当中，需要取出烘干方可继续试验。

5 在降温过程中测量相关数据。

6 利用液氮冷却，观察磁悬浮现象。

7 测量零场冷却时超导样品的抗磁性曲线。

【数据记录】

实验一：超导体临界温度的测量

在pt电阻电流恒为1mA的状态下测量。记录各个样品的电压值，通过电流值进行电阻值的换算。利用Pt电阻随温度变化的关系，确定当Pt处于特定电阻是具体的温度的值。然后利用得到的温度的值画出各个样品随温度变化的曲线。其中如果电阻值并不在特定的值位置是，利用pt电阻的线性特征进行估算即可。