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近代物理实验报告—高温超导材料的特性与表征
【摘要】本实验主要通过对 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。本实验利用液氮将高温超导材料 YBaCuO 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 93.75K;再通过超导磁悬浮实验了高温超导材料的磁特性,得到分别在零 场冷却,有场冷却下的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、液氮、铂电阻、MEISSNER 效应、磁悬浮
一、引言
1911 年,昂纳斯首次发现在 4.2K 水银的电阻突然消失的超导电现象。1933 年,迈斯 纳发现超导体内部的磁场是保持不变,而且为零,这个现象叫迈斯纳效应。950,弗留里希 首先给出了超导微观机制的一个重要线索。他认为电子-晶格振动之间相互作用导致电子之 间相互吸引时引起超导的原因。1957 年,巴丁、库柏和施里弗共同提出了超导电性的微观 理论,称为 BCS 理论。1972 年他们三人共同获得了诺贝尔物理学奖。
自从发现超导电性以来,人们就努力探索提高超导转变临界温度的途径。几十年来, 物理学家发现除了汞、锡和铅以外,又发现铟、铊和镓也有超导特性,后来又发现了铌、 钛、钍等金属具有超导特性。世界上还有许多物理学家研究其他类型的超导体,诸如有机 超导体、低电子密度超导体、超晶体超导体、非晶态超导体等等,其中金属氧化物超导体 吸引了许多人的注意。随着高温超导材料的发现,超导电性的应用也愈加广泛。例如超导 磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机等。
本实验通过对氧化物高温超导材料特性的测量和演示,加深理解超导体的两个基本特 性。并了解金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应、掌握超导磁悬浮原理和液 氮低温技术。
二、实验原理
1、超导现象及临界参数
(1)零电阻现象
1911 年,卡麦林发现,当温度低于液氮的正常沸点时,水银线的电阻突然跌落到零, 这就是零电阻现象。把这种具有超导电性的物理称为超导体,超导体只有在直流的情况下 才能有零电阻现象。理论上,超导临界温度的定义为:当电流、电场及其他外部条件保持 威灵活不影响转变温度测量的足够低值时,超导体呈现超导态的最高温度。实验上,用电 阻法测临界温度时,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 ??,?????????? ,把临界温度 ??定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度, 也称作超导转变的中点温度 ????,把电阻变化 10%-90%所对应的温度间隔定义为转变宽度,
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电阻刚刚完全降到零时的温度称为完全转变温度即零电阻温度 ??0,的大小反映了材料品质 的好坏,均匀单相的样品较窄,反之较宽。超导体的电阻转变曲线见图 1。
图 1、超导体的电阻转变曲线 (2)MEISSNER 效应
1933 年,迈斯纳等人对超导圆柱
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??在垂直其轴向外加磁场下,测量了超导圆柱外
面磁通密度分布,发现了一个惊人的现象:不管加磁场的次序如何,超导体内部磁感应强 度总是等于 0。超导体即使在外磁场中冷却到超导态,也永远没有内部磁场。称之为迈斯 纳效应,如图 2。
图 2 超导体磁性示意图
(3)临界磁场
把一个磁场加到超导体之上之后,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。对于一般超导体来说,在 T 以下,临界磁场 ?T?随
温度下降而增加,有实验拟合给出 H
?T?与T的关系很好地遵循抛物线近似关系
(1)
此类超导体被称为第Ⅰ类超导体,如图 3。
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LDLrL纯金属晶
L
D
L
r
L
纯金属晶体的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和经各种的缺陷的热振动所散射,实 际材料中催在的杂质和缺陷也将破坏周期性势场,引起电子散射。总电阻率可以表示为: (2)
表示晶格热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 动散射。根据金属能带理论计算表明:在高温区,当 时, ? (T ) 与 T 成正比;在低温区,当 T ?? /10 时, ? (T ) 与成正比 为德拜温 度。 ? 表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率与温度无关,与 和 陷的密度成
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其中 系决定与
?L(T ) 晶格振
T ??D /10 ,其中 ?D
杂质
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