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高温超导 实验日期：2013/11/01指导老师：聂家财 【摘要】在本实验中对高温超导体的超导转变曲线进行了测量，测量得到的起始转变温度为Tc,onset=107.425K，临界温度Tc=94K，零电阻温度Tc0=92.896K，同时对低温温度计进行了标定，证明了硅二极管和温差电偶在一定温度内具有线性关系，通过高温超导的磁悬浮演示了解了高温超导的两个特性：混合态效应与完全抗磁性，并利用磁浮力测量仪得到了在场冷与零场冷条件下的磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线，并分析了其不同点。 关键词：高温超导体 超导临界参数 零电阻现象 完全抗磁性 磁通俘获 引言 1911年，荷兰物理学家卡末林－昂纳斯发现了低温超导体，之后科学家们对超导电性理论（微观机制）和超导技术以及超导材料进行了大量的研究。超导体科技的发展大致经过三个阶段：首先超导微观理论的问世，加深了人们对超导电性的认识；然后为超导???术应用在实际中开始迅速发展；再然后是转变温度高的材料的发现，转变温度高于液氮温度的高温超导体的发现为超导技术在各方面的运用开辟了十分广阔的前景。 本实验目的：通过在低温条件下测量高温超导体的电阻温度曲线，演示并测量高温超导体的磁悬浮现象，了解高临界温度超导材料的两个基本特性及测试方法；以及低温条件下低温温度计的比对，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：低温的获得、控制和测量。 原理 超导体的基本特性 超导体有两个基本特性：零电阻现象和完全抗磁性 零电阻现象 当某种金属或合金冷却到某一确定温度Tc以下，其直流电阻突然降到零，该现象被称为物质的超导电性，该物质被称为超导体，温度Tc被称为临界温度，通常把降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度Tc,onset，把临界温度Tc定义为待测样品电阻从起始转变下降到一半时对应的温度。把电阻变化10%到90%所对应的温度间隔定义为转变宽度?Tc，电阻刚刚完全降为零度的温度称为完全转变温度即零电阻温度Tc0。?Tc的宽度反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品?Tc较窄，反之较宽。如下图1所示，超导体由正常态向超导态转变的国度是在有限温度间隔内完成的。 图1超导体的电阻转变曲线 图2超导体抗磁性 图3超导体磁悬浮 完全抗磁性 完全抗磁性是指无论在有外加磁场还是没有外加磁场的情况下使样品变为超导态，只要TTc，超导体内的磁感应强度均为零，即B=0，如图2所示。这种情况下外磁场的磁通无法进入超导体内，则在磁体与超导体之间就会产生斥力，这个斥力可以与重力抵消，就会产生磁悬浮现象，如图3所示。 临界磁场Hc 把一个磁场加到超导体上之后，一定数量的磁场能量用来建立屏蔽电流的磁场以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到某一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许磁场穿透，即破坏了超导电性。由于超导体内存在杂质与应力等，在超导体不同处有不同的Hc，因此转变是在一个很宽的范围内完成的，通常把ρ=ρ02相应的磁场称为临界磁场。实验发现存在两类具有不同磁行为的超导体，对于第Ⅱ类超导体，当Hc1HHc2时磁场进入超导体内，但超导现象依然存在的混合态。 非理想第Ⅱ类超导体 理想的第Ⅱ类超导体体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为呈现完全可逆，但实际中的超导体大多为非理想第二类超导体（Hc较大，实际运用更广）。非理想的第二类超导体存在磁通俘获和不可逆磁化现象。主要因为超导体内存在缺陷，在HHc1 时缺陷阻止磁场进入，当撤去磁场时，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）。 电阻温度特性 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。根据金属导电理论的马德森定则，金属中总电阻率ρ=ρLT+ρr, ρLT代表晶格振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关，电阻与温度的关系决定于晶格振动散射。根据能带理论计算表明：在高温区，在TΘD/2时，ρLT与T成正比：在低温区TΘD/10时，ρLT与T5成正比，其中ΘD为德拜温度。 ρr表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，其变化不依赖于温度，因此杂质和缺陷散射一般不影响电阻的变化率。铂的电阻温度如图4所示，可知在液氮的沸点到室温的范围内，铂电阻与温度具有良好的正比关系 图6二极管PN结的正向电压温度关系 图4铂的电阻温度关系 图5半导体锗的电阻温度关系 半导体材料的电阻温度特性 对于杂质半导体，在载流子的产生有两种方式：本证激发和杂质电离，因此载流子浓度随温度的变化比较复杂，