高温超导材料特性测试和低温温度计.doc

物理实验研究性报告 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.实验摘要： 采用杜瓦容器和低温恒温器获得从液氮沸点到室温的任意温度，在此条件下，测量高温超导材料电阻，确定其起始转变温度和零电阻温度，并观察记录铂电阻温度计、硅二极管温度计及铜-康铜温差电偶温度计测温参量的变化，进行温度计的比对。 超导体在超导状态具有零电阻现象和完全抗磁性，具有辉煌的应用前景。一般达到超导状态需要很低的温度，最低为4.15K，大大约束了超导材料的实际应用。从1911年发现超导现象至今，人们一直为提高超导材料的临界温度而努力。本实验在液氮沸点到室温范围内测量超导材料电阻特性，相对而言为高温超导，并对各种温度计进行比对，为在不同温区选择合适温度计提供依据。 二.实验原理 1．超导体和超导电性. 1911 年，卡麦林?翁纳斯用液氦冷却水银线并通以几毫安电流，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。通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体。引进起始转变温度Tc,onset 、零电阻温度Tc0 和超导转变(中点)温度Tcm来描写高温超导体的特性，如图1 所示。通常说的超导转变温度Tc 指Tcm 。 2．低温温度计. (1)金属电阻随温度的变化. 作为低温物理实验基本工具的各种电阻温度计，是建立在对各种类型材料的电阻?温度关系研究基础上的。不同类型材料电阻随温度变化性质不同。合金中，电阻主要由杂质散射引起，因此电子平均自由程对温度变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验用标准电阻和电加热器就是用锰铜线绕制而成。纯金属中，总电阻可近似表达成： R = Ri (T ) + Rr ，其中，Ri为电子运动受到晶格散射出现的电阻， Rr为几乎完全由杂质散射造成的剩余电阻，它近似与温度无关。半导体则具有与金属完全不同的电阻温度关系，在大部分温区中具有负的电阻温度系数。 在液氮正常沸点到室温范围内，铂电阻温度计具有良好的线性电阻温度关系，可表示为：R(T ) = A T + B,或 T(R) = a R + b，其中A、B 和a、b 是不随温度变化的常量。因此，根据我们给出的铂电阻温度计在液氮正常沸点和冰点的电阻值，可以确定所用的铂电阻温度计的A、B 或a、b 的值，并由此可得到用铂电阻温度计测温时任一电阻所相应的温度值。 (2)半导体电阻和PN节的正向电压随温度的变化. 与金属完全不同,半导体材料在大部分温区具有负的电阻温度系数.在纯净的半导体中,由所谓的本征激发产生电子和空穴对，统称载流子来参与导电；而在掺杂的半导体中，则除了本征激发外，还有所谓的杂质激发也能产生载流子，因此具有比较复杂的电阻-温度关系。 在恒定电流下，硅和砷化镓二极管PN结的正向电压随着温度的降低而升高。由于二极管温度计的发热量较大，常把它用作控温敏感元件。 (3)温差电偶温度计. 当两种金属做成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同温度时，该闭合回路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个接触点固定在一个已知的温度，则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。据此，可得到温差电偶温度计。 三．仪器介绍 （1）低温恒温器和不锈钢杜瓦容器 为了得到从液氮的正常沸点77.4 K到室温范围内的任意温度，我们采用如图2所示的低温恒温器和杜瓦容器。 （2）电测量原理及测量设备 电测量设备的核心是一台称为“BW2 型高温超导材料特性测试装置”的电源盒和一台灵敏度为1μV 的PZ158 型直流数字电压表。 电阻测量的原理电路如图3所示。其中，Rn、Un为标准电阻及其上电压，Ux为待测样品电压。 低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线又细又长，其阻值远远超过如超导样品阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用 “四引线测量法”，基本原理是：恒流源通过两根电流引线将测量电流I 提供给待测样品，数字电压表通过两根电压引线测量电流I 在样品上形成的电势差U. 由于两根电压引线与样品接点处在两根电流引线接点之间，排除了电流引线与样品之间接触电阻对测量的影响，又数字电压表输入阻抗很高，电压引线电阻以及它们与样品间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。另外，在低温物理实验中，即使电路中没有来自外电源的电动势，只要存在材料的不均匀性和温差，就有温差电动势存在，称为乱真电动势或寄生电动势，所以增设了电流反向开关，用以进一步确定超导电阻确已为零。铂电阻、硅二极管测量电路、超导