超导物理基础.

超导物理基础高温超导实验陈铭南超导特性发现于1911年：4.2K临界温度提高很慢：75年后达23.2K.1988年：110K（2年：100度）1989年中国科技大学刘宏宝研制的超导材料达130K1993年3月北大郭建栋教授，制备成功了134K样品目前超导体的临界温度约150K超导基本特性：从材料区分：低温超导材料（液氦温区）：金属。高温超导（液氮温区）：高温氧化物超导体。超导基本特性：1.零电阻特性超导体零电阻观察与测量：（1）一超导环置一磁场中，然后冷却使之转变成超导态，快速撤去磁场。产生感应电流。零电阻现象2.使样品通一恒定电流，测量其阻值随温度变化。测阻（难）与测温。.1025.075.0.,.,:/),/exp()0((万年超导环衰减时间大于推出衰减时间变化量超导电流形成的磁场可通过核磁共振方法测正常金属很小是电流衰减时间常数）ZrNbRLtItI定义：通常把外部条件(磁场、电流、应力等）维持在足够低值时电阻突然变为零的温度称为超导临界温度TC。液氮温区高温超导体特性1.零电阻率（现象）：相变:电阻、磁化率、热电势、比热容、热导率等都有明显的变化。临界温度Tc以下电阻为零。由正常态向超导态过度称转变宽度：ΔTc.ΔTc：取决于材料的纯度和晶格的完整性。理想样品的ΔTcK310完全抗磁性：迈斯纳（Meissner)效应问题：先降温？先加磁场？理想导体：在磁场下降温，磁通不变。超导体：与过程无关。仅仅没有电阻的假想金属称做理想导体。超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透。超导体内磁感应强度始终为零（B=0）迈斯纳（Meissner)效应:完全抗磁性是独立于零电阻特性的基本属性。零电阻特性是迈斯纳（Meissner)效应的必要条件。磁悬浮实验演示：难以给出定量结果。抗磁性：需测量样品的磁化率随温度的关系。超导物理理论基础:二流体模型和伦敦方程:自由电子气部分“凝聚”:粗糙BCS理论:电子库柏对.不能解释30K以上超导现现象.(金属\30K为禁区).二流体模型:(低温超导)二流体模型和伦敦方程:自由电子气：相变。速度“凝聚”电子比热容比：正常态（线性），超导态：指数变化。伦敦第一方程：零电阻伦敦第二方程：迈斯纳效应BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)理论——高深的量子力学和许多数学知识。两个电子－电子库柏对－超导电流。晶格振动的热运动—拆散库柏对不能解释30K以上超导现现象.(金属：30K为禁区).国际制冷学会（IIR）1971年：对0°以下称为低温，温区进行划分（向全世界建议）：T120K为冷冻温区120KT0.3K为低温温区T0.3K为超低温温区一.冷冻温区的主要制冷手段（T120K）1.基于相变原理的制冷:R12:-30°,R14:-128°.电冰箱,空调等.2.电制冷:利用半导体材料的珀尔帖效应,可以取得制冷效果.医学,生物学:降温帽,白内障摘除器等.二.低温温区的主要制冷手段:（120KT0.3K）1.等焓节流:80K左右.2.等熵膨胀-等焓节流:20K:液态氢,4.2K的液态氦.3.对低温液体抽气降温.例如:液氦:0.8K,0.3K.三.超低温温区的获得:（T0.3K）1.磁制冷:0.001K—核自旋去磁:5×10-8K.2.帕末朗丘克制冷(Pomeran-Chuk):0.001K3.3He-4He稀释制冷.几种常用的温度计温度计测温属性定容气体温度计压强定压气体温度计体积铂电阻\半导体温度计电阻热电偶温度计热电动势液体温度计液柱长度液体温度计测温范围液体温度测量范围水银-30~+300酒精-80~80甲苯-80~+110乙醇-80~+80煤油0~+300石油醚-120+20铂电阻、半导体、热电偶温度计铂电阻：在63K到室温具有线性关系，电阻正比于温度。不严格逞线性。（查公式与表）半导体：有正、负两种温度系数。大部分温区中，具有负的温度系数（与金属不同）。温度越高电阻越低。不同材料半导体：硅、锗、碳、渗碳玻璃电阻、热敏电阻等。温-阻关系不同，不同温区不同。塞贝克效应：由两种不同金属连接，两接点在不同温度下(参考点)，形成热电偶电动势。高温氧化物超导体特性1.高温超导材料正常态电阻率在很大温度范围内逞线性关系.2.霍尔系数随温度的上升而单调下降.3.超导能隙的各向异性4.电子-电子关联性:可能是高温超导的主要支配原因neHR1高温超导材料的研制1.机械热加工法.2.混合法.3.照射法:放射性照射,改善超导特性4.蒸气淀积法5.脉冲准分子激光法液氮特性：液氮:沸点77.36K、进出注意事项、样品与液氮。液氮不能完全密封：漏热升温升压防止冻伤.运输与安放.高温超导仪：低温恒温器（样品室）：样品研制：高温烧结与碾磨、样品安装：四端接法：金属铟压接。样品温度。测温与控温：铂电阻温度计、硅二极管温度计测温:铜-康铜温差电偶：需有一参考端，伸入液氮浸没。实验中有两个：一个为液面计；另一个为温度计。25欧姆锰铜加热器线圈的紫铜恒温块:导热性能好.铂电阻和硅二极管测量：单一恒流源。四端接法、标准电阻。测电压.铂：标准电阻100欧姆，恒流1mA,内置10uv,4½数字表(已经标定:公式硅二极管：标准电阻10K欧姆，恒流100uA，内置100uv,4½数字表。测量确定紫铜恒温块的温度。四引线法测量超导样品电阻恒流源:样品电压：标准电阻：为消除乱真电动势,设立电流反向开关.外接灵敏度为1uv的51/2直流数字电压表：测量标准电阻和样品上的电压.,/nRnUxUxRnRnUI温差热电偶定点液面计-温差热电偶实验中有两个：一个为液面计；另一个为温度计。参考点：同在液氮中，作液面计的另一端在紫铜恒温块与下档板中间。作温度计的另一端在紫铜恒温块上。电控制仪：19芯连接电缆。恒流、四端接法、标准电阻、铂电阻、半导体二极管（硅管）、热电偶、测温与控温（加热器）、四位半数字表。实验内容测量室温.-铂与硅二极管.安装低温恒温器:液氮倒入:多少?怎样倒?以下档板刚好接触液面计为准.使样品下降至液面计指示为零:热电偶无温差.:高度.测量温度与样品电势.:降温速率控制..开始:可约每5分钟测量一次,超导转变时可约每0.5分钟测一次.样品电阻为零时,正反向应一致.确定起始与作业:1.金属低温超导理论中,最基本的出发点是什么?试用BCS理论及二流体模型解释超导电性.2.超导磁悬浮是什么效应的直接结果?试描述上海磁悬浮列车工作原理.3.超导样品的国际与国内研制近况如何？超导应用:一.强电磁方面的应用(1)磁悬浮列车(2)磁流体发电(3)超导磁分离技术二.弱电磁方面的应用(1)超导磁梯度计对人脑功能的研究(2)超导计算机(3)超导重力仪测量注意事项:所有测量必须在同一次降温过程中完成.恒流源不可开路,稳压电源不可短路.在总电源打开前:各分电源均应处在断开状态.加热器的电压应处于零.实验结束,样品拉杆移出低温容器,液氮需回收.结束！超导体临界温度测试1911年荷兰物理学家卡麦林•翁纳斯发现：水银稍低于4.2K时,其电阻急剧地下降到0.超导电性的两个最基本特征:1.以零电阻为特征的金属态命名:超导态.2.磁通密度为0,完全抗磁性(Meissner效应)常用低温温度计:1.实用温度计:铂,半导体,P-N二极管,热电偶等.2.热力学温度计:定容气体温度计.3.半热力学温度计:蒸汽压温度计.例:1.铂,半导体、热电偶温度计2.西蒙气体温度计3.蒸汽压温度计PTVTVVTVVpVpVppVVTTPTTPTPPaPPaPaTTnRTVPTVPTPVTPV11,)()(1)(1)()1(0'0'00'0'000000000'00'令常数热电偶温度计汤姆孙效应：同一种金属，两端有温度差，电子云在温度不均匀时的热扩散形成电动势。外加电流，可有吸热与放热珀耳帖效应：两种不同金属接触面处，由不同金属的自由电子的数密度不同形成电动势。塞贝克效应：由两种不同金属连接，两接点在不同温度下，形成热电偶电动势。西蒙气体温度计构造：1.感温泡.2.压力传感器.3.连结毛细管(抽真空:10-1帕,充氦气)测量原理:PVm=RT(1)(1)()1('000000000'00'pVVTTPTTPTPPaPPaPaTTnRTVPTVPTPVTPV常数低温气体液化成功1877年液化了氧，获得了-183°的低温。随后，氮气、氢气、氦气相继液化成功。