高温超导材料的特性研究

1高温超导材料的特性与表征【摘要】在本实验中我们的主要目的是通过通过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，即零电阻完全导电性和完全抗磁性。我们还通过此实验对不同的温度计（铂电阻温度计和硅二极管温度计）进行比较。我们采用的是四引线测量法，利用低温恒温器和杜瓦容器测量了超导电性，绘制了超导样品的电阻温度曲线，验证了超导在高温冷却电阻突然降为零的电特性。我们也绘制了磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线，对其进行了分析。在进行磁悬浮的实验中我们验证了超导体的混合态效应和完全抗磁性。关键词：超导体零电阻温度完全磁效应磁场一、引言：1911年H.K.Onnes首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象，此温度也被称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。但这里所说的高温，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。本实验中，我们通过对氧化物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；了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电动势；了解超导磁悬浮2的原理；掌握液氮低温技术。二、原理：物理原理：1.超导现象及临界参数(1)零电阻现象1911年，卡麦林·翁纳斯用液氮冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其电压时发现，当温度稍低于液氮沸点时，水银电阻突然降为零，这就是零电阻现象或超导现象。具有此现象的物体称为超导体。只有在直流条件下才会存在超导现象，在交流下电阻不为零。临界温度是指当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响测量时，超导体呈现超导态的最高温度。我们用电阻法测定超导临界温度，（2）MERSSNER效应1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，而且，不管加磁场的顺序如何，超导体内磁场总为零。这种现象称为抗磁性即MERSSNER效应。（3）超导体分类超导体分为两类第1类超导体是随温度变化只分为超导态和正常态，第2类是在超导态和正常态中间部分还存在混合态。2．电阻特性（1）纯金属材料的电阻特性纯金属材料的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。ρ=ρL（T）+ρr,其中ρL（T）表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关。ρr表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，不依赖与温度，与杂质和缺陷的密度成正比，称为剩余电阻率。（2）半导体材料电阻温度特性ρi=1/nie(μe+μp)本征半导体的电阻率ρi与载流子浓度ni及迁移率μ=μe+μp有关,因ni随温度升高而成指数上升，迁移率μ随温度增高而下降较慢，故本证半导体电阻率随温度上升而电调下降。3实验仪器及其原理：实验装置：（1）在本实验中，我们采用低温恒温器和杜瓦容器来控制温度；（2）电测量部分主要包括BW2型高温超导材料测试装置和PZ158型数字直流电压表；（3）高温超导体的磁悬浮演示装置。1.低温恒温器和杜瓦容器本实验中的控温程序是从高温到低温，将液氮装在杜瓦瓶内，利用液面以上的空间存在的温度差梯度来获得所需温度。样品温度计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。只要降温过程足够缓慢，就可认为该过程动态平衡。所以我们安装了可调式定点压面指示计，使液面维持在紫铜圆通底部和下挡板之间距离的1/2处。为使温度计与超导样品具有较好的温度一致性，我们将铂电阻温度计和硅二极管温度计的温差电偶的测量端塞入紫铜恒温快的小孔中，拥低温脚站在紫铜恒温快平台上。在实验过程中，温差电偶的参考端始终要浸没在液氮中。2.电测量原理及测量设备电测量部分主要包括BW2型高温超导材料测试装置和PZ158型数字直流电压表。采用的电路接法都是四引线测量法，原理是：四引线测量法中恒流源通过两根电流引线测量电流I供给给样品，而数字电压表通过两根电压引线测量电势差U。电压线与样品的接触点在电流引线接点之间，排除了电流引线与样品接触对测量的影响；而电压表电阻很大，图1低温恒温器和杜瓦容器引线拉杆拉杆固定螺栓上挡板锰铜加热器线圈紫铜恒温块超导样品下挡板引线插座拉杆固定螺母紫铜圆筒上盖紫铜圆筒液氮温差电偶和液面计（参考点）有机玻璃盖不锈钢杜瓦容器可调式定点液面计25Ω锰铜加热器线圈高温超导样品硅二极管温度计铜-康铜温差电偶测量端铂电阻温度计图2紫铜恒温块（探头）4可忽略对测量的影响。在超导样品测量电路中，我们为消除温差电动势的影响，我们会在四引线测量法的基础上，增设电流反向来判定超导电阻是否为零。因为温差电动势不会随电流反向而反向，所以由此可排除它的影响。3.高温超导的磁悬浮演示实验演示用液氮容器：用以来盛装把高温超导体降温的液氮，由特殊塑料泡沫经过粘接压制而成的，具有较好的绝热性能，能适应从液氮温度到室温的反复变化。高温超导盘片：由熔融结构YBCO高温超导黑色陶瓷材料制成。它防水，这样就可以抵御盘片表面很冷时凝结的水，从而对盘片造成侵蚀。高场强钕铁硼永磁铁块：它磁力非常强，虽体积小，但能产生非常强的磁场，当超导盘片冷却到临界温度以下时，该磁块能很容易的悬浮在超导体上。镊子：特殊塑料制成，让人避免烫伤。4.高温超导体的磁悬浮力测量装置通过改变磁悬浮力与超导体-磁体间距，绘制了磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。三、实验：（1）测量样品的超导转变曲线的测量及各温度计的比较我们利用低温恒温器和杜瓦容器来控制温度，由BW2型高温超导材料测试装置和PZ158型数字直流电压表，采用四引线测量法测量铂电阻温度计和硅二极管温度计的电压UPB和USI，温差电动势U温差和超导电压U超导，由已知的各恒流源大小得出各电阻R，然后进行各温度计的比较。然后由铂电阻温度计已标定的电阻温度曲线可得到对应的温度T，然后以温度T为横坐标，以超导样品的电阻值为纵坐标作出超导样品的电阻温度转变曲线。同时分别以所测得的硅二极管正向电压和温差电压为纵坐标，画出他们随温度的变化曲线。其中已知的测量条件为:铂温度计恒流源大小为IPB=1mA，硅二极管温度计恒流源大小为ISI=0.1mA,样品恒流源大小为I样品=10mA，（2）高温超导的磁悬浮演示本实验采用液氮容器、高温超导盘片、高场强钕铁硼永磁铁块和镊子等实验仪器。主要通过高温超导盘片在磁块上的磁悬浮现象演示了高温超导体的两个独有的特性：混合态效应图3四引线法测量电阻样品Rs标准电池Rn恒流源5和完全抗磁性。①混合态效应的观测先将磁块放到高温超导盘片上（中间用一塑料小板隔开），然后加入液氮冷却至临界温度以下，观察磁块悬浮情况及稳定性，并对此作出解释。②完全抗磁性现象的观测先用液氮将超导样品冷却到超导态，然后用镊子将磁块放到高温超导盘片上方，观察磁块悬浮情况及稳定性。并对此作出解释。（3）高温超导体的磁浮力测量本实验主要通过改变高温超导盘片与磁块之间的距离，定量测量高温超导体磁浮力测量的变化，并给出磁浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。四、实验结果及分析讨论:（1）样品的超导转变曲线的测量及各温度计的比较已知实验条件：铂温度计恒流源大小为IPB=1mA，硅二极管温度计恒流源大小为ISI=0.1mA,样品恒流源大小为I样品=10mA，表格一超导转变曲线的测量及各温度计的比较测量数据温度T（K）铂电压U(mV)铂电阻R(Ω)硅电压U(mV)硅电阻R（Ω）温差电压U（mV)样品U(mV)样品电阻R（10-3Ω）247.4990.090.0643.864384.1210.0530.0053241.1687.587.5655.365534.0100.0520.0052239.9087.087.0622.162213.9200.0520.0052234.8585.085.0669.766973.8420.0510.0051228.5682.582.5686.968693.6270.0500.005222.2880.080.0704.870483.4140.0490.0049216.0177.577.5722.972293.2270.0480.0048209.7675.075.0739.673963.0440.0460.0046203.5272.572.5758.975892.8750.0450.0045197.3070.070.0773.877382.6670.0440.0044191.0967.567.5793.379332.4840.0430.00436184.8965.065.0807.980792.3280.0420.0042178.7162.562.5827.582752.1400.0410.0041172.5560.060.0841.084102.0000.0400.0040166.4057.557.5860.786071.8130.0390.0039160.2755.055.0876.087601.6650.0380.0038154.1652.552.5893.289321.5090.0370.0037148.0750.050.0908.390831.3700.0360.0036141.9947.547.5924.992491.2200.0340.0034135.9545.045.0940.194011.0900.0330.0033129.9242.542.5955.895580.9530.0320.0032127.5241.541.5961.296120.9050.0310.0031125.1240.540.5967.396730.8520.0310.0031122.7339.539.5973.197310.8040.0300.0030120.3438.538.5979.497940.7520.0300.0030117.9537.537.5984.998490.7070.0290.0029115.5736.536.5990.899080.6590.0290.0029113.1935.535.5996.399630.6150.0280.0028110.8134.534.51002.5100250.5630.0280.0028108.4433.533.51008.0100800.5200.0270.0027106.0832.532.51013.4101340.4770.0260.0026103.7131.531.51019.2101920.4320.0260.0026101.3630.530.51024.9102490.3900.0250.002599.00129.529.51030.5103050.3470.0240.002496.65128.528.51035.9103590.3050.0230.002394.30327.527.51041.6104160.2650.0210.002193.13127.027.01044.4104440.2440.0190.001990.78726.026.01049.1104910.213007超导转变曲线0123456050100150