近代物理实验报告2013--高温超导

高温超导学号：20111114XXXX姓名：P.Wang实验日期：2013年11月25日指导教师：孙萍【摘要】本实验主要通过对样品YBaCuO高温超导材料特性的测量，理解超导体的两个基本特性，即完全导电性和完全抗磁性。本实验利用液氮将样品降温，用铂电阻温度计测量温度，用电压表测得超导体电阻，得到超导体电阻温度曲线，测得该样品的超导转变温度为93.35K；再通过超导磁悬浮实验定性了解了第Ⅱ类高温超导体的完全抗磁性和混合态效应，分别在零场冷和场冷下测得了超导体的磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。关键词：高温超导体、超导转变曲线、迈斯纳效应、磁悬浮一、引言1911年，荷兰物理学家卡末林－昂纳斯用液氦冷却水银线并通以几毫安的电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。自从低温超导体发现以来，科学家们对超导电性现象（微观机制）和超导技术以及超导材料进行了大量的研究。在超导技术开发时代，世界各国科学家相机取得了突破性进展，研制出临界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，为超导技术在个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，例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机、超导微波器件等，还可以用于计量标准。本实验的目的是通过在低温条件下测量高温超导体的电阻温度曲线和低温温度计的比对，了解高临界温度超导材料的基本特性及测试方法，了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电效应，掌握低温物理实验的基本方法（包括低温的获得、控制和测量）。二、实验原理1.超导现象和临界参数超导体指可以在在特定温度以下，呈现电阻为零的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。1)零电阻现象使超导体电阻为零的温度Tc叫超导临界温度，是由物质本身内部性质决定的内禀参量。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时的温度。图1超导体的电阻转变曲线2)MEISSNER效应不论是在没有加外磁场和有加外磁场的情况下使样品变为超导态，只要TTc，在超导体内部总有磁感应强度B=0。当把超导体置于外磁场时，磁通不能穿透超导体，而使超导体内的磁感应强度始终为零。如图2所示图2超导体的磁性3)临界磁场Hc如果对超导体施加磁场，当磁场强度达到某一值时，样品的超导也会受到破坏。破坏样品超导电性所需要的最小磁场值称为临界磁场Hc。对于第Ⅰ类超导体，在Tc以下，临界磁场Hc(T)随温度下降而增加，由实验拟合给出Hc(T)与T的关系很好地遵循抛物线近似关系，如图3中的(a)所示图3第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体的Hc-T曲线对于第Ⅱ类超导体，在超导态和正常态之间存在过渡的中间态，因此第Ⅱ类超导体存在两个临界磁场1Hc和2Hc，如图3(b)所示，在12HHHcc区域的状态为混合态。高温超导体为第Ⅱ类超导体。2.实用超导体——非理想的第Ⅱ类超导体磁通俘获和不可逆磁化：对于第Ⅱ类超导体当外磁场H升到高于1Hc时，不存在完全的Meissner效应，磁通线要进入大块超导体中，通常当磁场去掉后，一大块物质中还残留一个俘获磁通。高温超导体从本质上就是非理想的第Ⅱ类超导体。外磁场从零开始增加，当HHc1时，超导体处在Meissner态，故-M=H；而当HHc1时，磁场将以磁通量子的形式进入超导体，缺陷阻碍了磁通线的进入，因此磁通线进入超导体受到“阻力”；当H从HHc1开始下降时，由于磁通线受到阻力，又不容易排出，这就在第Ⅱ类超导体中形成俘获了部分磁通。非理想第Ⅱ类超导体中俘获磁通是稳定的，说明涡旋线除了彼此之间的电磁力之外还存在另一种力，克服洛仑兹力，使涡旋线保持稳定。这个阻碍磁通线运动的力来自缺陷，这个力称为钉扎力，缺陷叫做钉扎中心。3.电阻的温度特性1)纯金属材料的电阻温度特性纯金属晶体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，实际材料中存在的杂质和缺陷也将破坏周期性势场，引起电子的散射。铂金属与温度的关系在液氮正常沸点（77.4K）到室温温度范围（288.16K）内，具有良好线性。铂电阻温度计是符合13.8-630.74K温度范围的国际实用基准温度计。2)半导体材料的电阻温度特性本征半导体的电阻率iρ为iiep1ρ=ne(μ+μ)其中𝑛𝑖为载流子浓度，ep(μ+μ)为迁移率。本征半导体的电阻率随温度上升而单调下降，这是半导体有别于金属的一个重要特征。三、实验内容1.实验装置：低温恒温器、不锈钢杜瓦容器、BW2型高温超导材料特性测量装置、PZ158型直流数字电压表、超导磁浮力测量仪其中低温恒温器和杜瓦容器的结构图如右图4所示2.电测量原理及测量设备电测量设备核心是BW2型高温超导材料特性测试装置电源盒和PZ158型直流数字电压表。BW2型高温超导材料特性测试装置主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等三个电阻测量电路构成，每一电路包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关五个主要部件。电阻测量电路如图5所示图5四引线法测电阻3.实验过程图4（1）超导转变曲线的测量把液氮灌注在杜瓦容器内，注意液面高度的位置。待液面较稳定后，调整恒温器在杜瓦容器内的位置，关注液面计的电压值，当电压值为0时，液氮表面刚好位于液面计热电偶上节点的上方。测量过程中记录铂、硅二极管、温差电偶、超导样品的电压值并通过计算得到铂的电阻值，记下对应的该时刻温度值。过程中由于液氮的消耗，液面会不断下降，因此需经常查看液面计的示数，改变恒温器的位置使示数接近0。当超导样品电压为0时，需将电流反向，若正、反向电压均为零，则可确定到达零电阻态。（2）高温超导磁悬浮演示将超导样品放入液氮中，待液面稳定用强磁铁靠近样品，观察现象；将样品和磁铁用一张塑料薄纸隔开，再加入液氮，抽出薄纸，观察此时现象。（3）高温超导磁悬浮力测量首先对力（磁铁与样品无作用力）和距离（磁铁与样品最近处）定义零点。在无外磁场的条件下，将样品放入液氮中，待液面稳定后，改变磁铁与样品距离，得出零场冷下的测量曲线；再在磁铁靠近样品最近时，加入液氮，待液面稳定后，改变磁铁与样品距离，得出场冷下的测量曲线。四、实验数据处理与实验结果1.超导转变曲线和硅二极管、温差电偶电阻温度曲线图6超导体的电阻转变曲线由实验测得的数据给出的转变曲线可以得到起始转变温度Tc,onset=97.98K，在此温度之前电阻温度曲线近似为线性，从这个温度开始偏离；零电阻温度Tc0=92.45K，此时电阻近似为零（实验中得到0.0004Ω，继续降低温度不再减小，按下电流反向开关电阻不发生变化；由超导转变温度的定义从曲线上定出超导临界温度Tc=93.35K。由图还可以得到转变宽度Tc=96.86K-92.86K=4.00K。图7超导转变曲线和硅二极管、温差电偶电阻温度曲线及其拟合图7给出了超导转变曲线和硅二极管、温差电偶电阻温度曲线及其拟合在一张图中的结果，可以看到硅二极管的的电阻和温度的关系具有比较好的线性，表2给出了拟合的R2达到了0.999369，得到的线性公式为R=-0.02566T+12.56714；温差电偶线性拟合时R2只有0.983114（见表4），进行二次拟合时R2达到了0.99778（见表5）。用Excel画图拟合的结果如图8所示表2硅二极管的线性拟合结果(Origin)Equationy=a+b*xWeightNoWeightingResidualSumofSquares0.041668Pearson'sr-0.9997Adj.R-Square0.999369ValueStandardError硅二极管电阻Intercept12.567140.021455硅二极管电阻Slope-0.025661.29E-04图8表3温差电偶的线性拟合结果（Origin）Equationy=a+b*xWeightNoWeightingResidualSumofSquares1.068472Pearson'sr0.991969Adj.R-Square0.983114ValueStandardError温差电偶电阻Intercept-2.775560.157255温差电偶电阻Slope0.0287358.64E-04y=-0.02566x+12.56714R²=0.99939y=0.02874x-2.77556R²=0.98400y=0.00008x2-0.00192x-0.21399R²=0.9980102468101270.000120.000170.000220.000270.000320.000样品电阻值/10-3Ω温度T/K超导R-T图像硅二极管温差电偶线性(硅二极管)线性(温差电偶)多项式(温差电偶)表4温差电偶的二次拟合结果（Origin）ModelNewFunctionErciFit(User)Equationy=a*x^2+b*x+cReducedChi-Sqr0.007805Adj.R-Square0.99778ValueStandardError温差电偶电阻a8.06E-057.36E-06温差电偶电阻b-0.001920.002817温差电偶电阻c-0.213990.2407822.高温超导磁悬浮演示先使样品进入超导态再用强磁铁作用，可发现此时两者有很强的排斥作用。其原因是当样品进入超导态后，磁力线完全被排斥在超导体外，超导体具有完全抗磁性，当磁铁靠近（即磁场增大）时，会产生感应电流，阻碍磁感线的进入，因此两者产生排斥作用。先让样品和磁铁靠近，再让样品进入超导态，当抽出塑料纸后，可看到磁悬浮现象，如图9所示。这是因为在磁场下冷却到超电导临界温度以下后，高温超导体进入了混合态，部分磁力线被排斥，部分磁力线被钉扎。当将处于超导态的样品恢复到正常态时，在用磁铁去靠近，会发现两者之间有吸引力。原因是样品为非理想第Ⅱ类超导体。因而当磁场去掉后，样品中还残留俘获磁通。3.高温超导磁悬浮力测量零场冷条件下，测得的力与距离的曲线如图10所示，其中上方的曲线为磁铁与样品距离靠近（下行）时的曲线，下方曲线为磁铁与样品距离远离（上行）时的曲线。根据演示实验，零场冷时，两者之间产生排斥作用。当距离较远时，超过作用力范围，因而无作用力，随着距离越来越小，斥力越来越明显。当磁铁从最近处远离样品时，由于样品处于混合态，因此磁通线排出时会受到阻力，即图9观察到的磁悬浮表现为两者吸引，随着距离的不断增大，吸引力也不断增大，但当超过力的作用范围时，吸引力不断减小，最后为0。图10零场冷下的压力-距离曲线场冷条件下，测得的力与距离的曲线如图12所示，其中上方的曲线为磁铁与样品距离靠近（下行）时的曲线，下方曲线为磁铁与样品距离远离（上行）时的曲线。根据演示实验，场冷时，会出现磁悬浮现象。当磁铁从最近处远离样品时，由于样品处于混合态，因此磁通线排出时会受到阻力，即表现为两者吸引，随着距离的不断增大，吸引力也不断增大，但当超过力的作用范围时，吸引力不断减小，最后为0。此时，样品内是有俘获磁通的，因而，当两者距离减小时（在力的作用范围内）会体现出吸引的作用，而当距离进一步减小，为保证内部磁通为0，此时磁通线会受到进入的阻力，因而体现排斥作用，随距离的不断增大而增大。图11场冷下的压力-距离曲线4.实验结果的误差分析高温超导转变曲线测量过程中温度下降过快带来了误差带来了较大的测量误差。应控制好紫铜恒温块与液氮面的距离使样品温度下降速度正好合适，以减小测量误差。五、结论与建议通过对高温超导样品特性的测量和演示，验证并理解了超导体的两个基本特征，即超导电特性和完全抗磁性。绘制了超导样品的转变曲线，测得该样品的超导转变温度为Tc=93.35K。实验中我们对比了铂、硅二极管、温差电偶的电阻随温度的变化，发现它们在液氮正