高温超导特性测试和低温温度计教材.doc

PAGE 1 PAGE 12 物理仿真实验报告 项目名称： 高温超导材料特性测试和低温温度计 高温超导材料特性测试和低温温度计 一、实验目的 1、了解临界温度超导材料的基本电特性和测量方法。 2、了解低温下半导体PN结的伏安特性与温度的关系。 3、了解低温实验的测量方法 二、实验原理 （一）高临界温度超导性 1911年，卡麦林 翁钠斯(H,Kamerlingh Ornes, 1853-1926)用液氮冷却水银并通以几毫安的电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氮的正常沸点时，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。通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体；而把超导体电阻突然变为零的温度，称为超导转变温度。如果维持外磁场、电流和应力等在足够低的值，则样品在这一定外部条件下的超导转变温度，称为超导临界温度，用 表示。在一般的实际测量中，地磁场并没有被屏蔽，样品中通过的电流也并不太小，而且超导转变往往发生在并不很窄的温度范围内，因此通常引起转变温度 、零电阻温度 和超导转变（中点）温度 等来描写高温超导体的特性，如图所示。通常所说的超导转变温度是指。 图1 由于数字电压表的灵敏度的迅速提高，用伏安法直接判定零电阻现象已成为实验中常用的方法。然而，为了确定超导态的电阻确实为零，或者说，为了用实验确定超导态电阻的上限，这种方法的精度不够高。我们知道，当电感L一定时，如果LR串联回路中的电流衰减得越慢，即回路的时间常数τ=L/R越大，则表明该回路中的电阻R越小。实验发现，一旦在超导回路中建立起了电流，则无需外电源就能持续几年仍观测不到衰减，这就是所谓的持续电流。 现代超导重力仪的观测表明，超导态即使有电阻，其电阻也必定小于 Ωm。这个值远远小于正常金属迄今所能达到的电阻率Ωm，因此可以认为超导态的电阻率确实为零。 1933年，迈斯纳(W.F.Meissner, 1882-1974)和奥克森尔德（R.Ochsenfeld）把锡和铅样品放在外磁场中冷却到其转变温度以下，测量了样片外部的磁场分布。他们发现，不论是在没有外加磁场中和有外加磁场的情况下??样片从正常态转变为超导态，只要T，在超导体内部的磁感应强度Bi总是等于零的，这个效应就是迈斯纳效应，表明超导体具有完全抗磁性。这是超导体所具有的独立于零电阻现象的另一个最基本的性质。迈斯纳效应可用磁悬浮实验来演示。当我们将永久磁铁慢慢落向超导体时，磁铁会被悬浮在一定高度上而不触及到超导体。其原因是，磁感应线无法穿过具有完全抗磁性到超导体，因而磁场受到歧变而产生向上的浮力。 在超导现象发现以后，人们一直在为提高超导临界温度而努力，然而进展却十分缓慢，1973年所创立的记录( =23.2K)就保持了12年。1986年4月，缪勒（K.A.Muller）和贝德罗兹（J.G.Bednorz）宣布，一种钡镧铜氧化物的超导转变温度可能高于30K，从此掀起了波及全世界的关于高温超导电性的研究热潮，在短短的两年时间里就把超导临界温度提高到了110K，到1993年8月已达到了134k。 迄今为止，已发现28中金属元素（在地球常态下）及许多合金和化合物具有超导电性，还有些元素只在高压下才具有超导电性。在表1中给出了典型的超导材料的临界温度（零电阻值）。 温度的升高，磁场和电流的增大，都可以使超导体从超导态转变为正常态，因此常用临界温度，临界磁场Bc和临界电流密度Jc临界参量来表征超导材料的超导性能。自从1911年发现超导电性以来，人们就一直设法用超导材料来绕制超导线圈——超导磁体。但令人失望的是，只通过很小的电流超导就失超了，即超导线圈从电阻为零的超导态转变到了电阻相当高的正常态。直到1961年，孔兹勒（J.E.Kunzler）等人利用超导材料绕制成了能产生接近9T磁场的超导线圈，这才打开了实际应用的局面。例如，超导磁体两端并接一超导开关，可以使超导磁体工作在持续电流状态，得到极其稳定的磁场，使所需要的核磁共振谱线长时间地稳定在观测屏上。同时，这样做还可以做正常运行时断开供电电路，省去了焦耳热的损耗，减少了液氦和液氮的损耗。 （二）金属电阻随温度的变化 电阻随温度变化的性质，对于各种类型的材料是很不相同的，它反映了物质的内在属性，是研究物质性质的基本方法之一。 在合金中，电阻主要是由杂质散射引起的，因此电子的平均自由程对温度的变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验中所用的标准电阻和电加热器就是用锰铜线绕制而成的。今天已经广泛应用的半导体，其基本性质的揭示是和电阻－温度关系的研究分不开的。也正是做研究低温下水银电阻的变化规律时，发现了超导电性。另一方面，作为低温物理实验中基本工具的各种电阻温度计，完全是建立在对各种类型材料的