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1、超导材料的电磁特性本讲稿第一页，共十六页 一、实验目的一、实验目的 1.通过做本实验使学生对当今世界广泛关注的新型超导材料YBaCuO、BiSrCaCuO有初步的了解。2.测量超导材料电阻率随温度变化的特性曲线。3.了解超导材料的迈斯纳效应。4.了解超导材料的一些应用。本讲稿第二页，共十六页二、实验原理二、实验原理1、超导转变温度和迈斯纳效应、超导转变温度和迈斯纳效应 某些材料被冷却到极低温度时呈现出异乎寻常的电、磁综合特性。所谓极低温度是由荷兰物理学家昂尼斯(H.K.0nnes)于1908年利用液氦所能达到的极低温度。3年后,1911年他发现纯汞(Hg)的电阻在这样低的温度下(约4.2K),
2、小到了无法测量的程度。在这一温度下,汞的电阻不是平稳地下降,而是急剧下降,当低于这一温度时,汞便完全不显示电阻了,见图8-3-1。昂尼斯认识到,汞在4.2K以下时便进入一种新的状态,这种新的状态称为“超导态”。相应的物质(如Hg)称为超导体,后来发现许多金属及其化合物都具有超导电性。超导体失去电阻的温度称为超导转变温度或临界温度,用Tc表示。本讲稿第三页，共十六页 至1973年人们发现超导转变温度最高的是Nb3Ge,临界温度为23K,从此以后一直没有进展。1986年1月IBM公司在瑞士苏黎士实验室的两名研究员(Bednorz和Mller)发现了30K的超导材料。这种材料是一种氧化铜和钇加少量钡
3、和锶、或钙的陶瓷材料,以此为基础,在国际上开始了高临界温度超导材料的研究热潮，1986年底便把超导材料的转变温度提高到了88K,首次突破使用液氮温度(77K)的大关。这两名研究员为此获得1987年诺贝尔物理奖。本讲稿第四页，共十六页 迈斯纳和奥斯菲尔德在1933年研究处于超导态样品体内的磁场时发现，不论是先降温使样品进入超导态再加磁场，还是先加磁场再降温，当样品处于超导态时，体内的磁感应强度总是等于零，磁感应线完全被排出体外。即B=B0+0M=0。由此求得金属在超导电状态的磁化率为=0M/B0=1,是负值。以上B0是外加磁场H在真空中的磁感应强度。所以说,超导体是一个“完全抗磁体”，超导体的完
4、全抗磁性称为迈斯纳效应。本讲稿第五页，共十六页意义：（1）由于超导态的完全抗磁性与怎样进入超导态的历史无关，说明超导态是一个热力学平衡态。（2）超导态的完全抗磁性是独立于零电阻特性的另一特性，不可能从零电阻特性派生出完全抗磁性。超导态不是普通意义下的理想导体，完全抗磁性和零电阻特性是超导态两个独立的基本特性。本讲稿第六页，共十六页2、关于超导态现象的两种唯象模型、关于超导态现象的两种唯象模型1)、二流体模型 二流体模型是1934年为了解释超导体的热力学特性提出来的。该模型认为超导体内的传导电子可分成两类：正常的传导电子和超导电子(或超流电子)。正常传导电子就是普遍意义下的自由电子，超导电子则是
5、特殊状态下的电子，超导电子处在一种“凝聚”状态，它们聚集在一最低能量状态，其特点是不发生散射。该模型认为:两类电子占据同一体积，互相渗透，彼此独立地运动，超导电子浓度关系的经验定律为 ns=n1-(T/Tc)4 式中n是正常电子和超导电子的总浓度。ns为超导电子浓度。当T=0K时，ns=n，所有电子都变成超导电子；随着温度的升高，超导电子减少；当T=Tc时,ns=0，所有电子都变成正常电子。可把ns/n作为有序化程度的一个量度,称之为有序参量或有序度。二流体模型可以说明零电阻特性。当TTc时超导电子出现，由于它们不被散射，因而具有无限大的电导率；金属内不能存在电场，正常电子不负载电流，从而导致
6、整个样品显示无限大的电导率。本讲稿第七页，共十六页2)、伦敦方程（留作自学）本讲稿第八页，共十六页超导体的分类：临界磁场：实验表明，磁场可以破坏超导性。把处于超导态(TTc)的样品置于磁场中，当磁场大于某个临界值Hc(T)时，样品将恢复到正常态。称这个保持保持超导态的最小磁场为临界磁场Hc(T)。实验表明Hc(T)与温度有关，可由如下的经验公式描述：Hc(T)=Hc(0)1-(T/Tc)2式中Hc(0)为T=0时的临界磁场，显然有Hc(Tc)=0。按照临界磁场的数目，可把超导体 分为两类：只有一个临界磁场的称为第一类超导体，它们在超导态具有完全抗磁性和零电阻性；有两个临界磁场的称为第二类超导体
7、，它们在TTc,HHc2时处于正常态，当Hc1(T)HHc2(T)时处于一种混合态，此态中具有零电阻特性，但不具备完全抗磁性。本讲稿第九页，共十六页 三、实验仪器与装置三、实验仪器与装置本讲稿第十页，共十六页 HT288型高Tc超导体电阻-温度特性测量仪主要用于高Tc超导材料的电阻-温度特性测量与处理,亦可用于其它样品电阻-温度特性测量。它由安装了样品的低温恒温器，测、控温系统,数据采集、传输和处理系统以及电脑组成。通过开关转换,既可进行动态法测量，也可进行稳态法测量。动态法测量时可分别进行不同电流方向的升温和降温测量，以观察和检测因样品和温度计之间的动态温差造成的测量误差以及样品及测量回路热
8、电势给测量带来的影响。动态测量数据经本机处理后直接进入电脑X一Y 记录仪显示、处理或打印输出，稳态法测量结果经由键盘输入计算机,作出R-T特性曲线，供分析处理或打印输出。本讲稿第十一页，共十六页仪器工作原理 图8-3-5为本机工作的原理示意。图中所示的低温度恒温器用导热性能良好的紫铜制成，超导样品及半导体温度传感器置于其上,并形成良好的热接触。加热器是为稳态法测量而设置的。当低温度恒温器处于液氮中或液氮液面以上不同位置时，低温恒温器的温度将有相应的变化。按典型的四端子法联接的样品及温度传感器分别联接至各自的恒流源和放大器，以减小测量误差。数据经数据采集、处理传输系统送入电子计算机运算并在显示器
9、上显示。仪器内安装有自动控温系统。它由比较器、温度设定器、PID控制器及加热功率控制器等部分组成。稳态测量时将所设定的温度值显示在计算机屏幕上，同时自动调整加热功率，使温度平衡。本讲稿第十二页，共十六页 四、实验操作方法与步骤四、实验操作方法与步骤 1、准备工作 将液氮注入液氮杜瓦瓶,再将装有测量样品的低温恒温器浸入液氮，固定于支架上，并用电缆连接至HT288测量仪“恒温器输入”端，再用通讯电缆将测量仪与计算机串行口l联接。2、开启仪器 开启测量仪器电源，电脑电源，待系统启动完成后，用鼠标点击电脑屏幕上的“数据采集”图标，进入数据采集工作程序，电脑屏幕显示“HT288型超导体电阻一温度特性测量
10、仪”，右下角“接口工作状态”栏交替山现闪烁的“接收”、“发送”“处理”字样，表示仪器与电脑工作正常。3、动态测量 将“动态测量/稳态测量”开关拨至“动态测量”，系统进入动态测量模式。本讲稿第十三页，共十六页动态自动测量 拨动“自动/手动”开关，选择自动工作模式，“自动”指示灯亮，“正向/反向”指示灯交替闪烁，表示系统已开始采集数据。在电脑显示器右部“工作参数”栏“样品电流方向”交替显示“正向”和“反向”字样。提升装有样品的低温恒温器，使其脱离液氮液面，温度将逐渐升高，此时在计算机屏幕上逐点描出两条电压一温度特性曲线，红色的一条表示正向电压降，蓝色的一条表示反向电压降，在屏幕右边“工作参数”区域
11、同时显示相应的工作参数值。其含义如下:计数:表示数据采集开始后所有采集到的有效数据的计数值；样品当前温度:表示低温恒温器温度传感器所测到的恒温器当前温度值，单位为K。若温度变化缓慢，此温度值与样品温度值的误差,可以被忽略，因此该温度值即为样品温度值；样品正向电压值:表示当流过样品的电流为正向时所测得的样品两端的电压降数值，单位为mV；本讲稿第十四页，共十六页样品反向电压值:表示当流过样品的电流为反向时所测得的样品两端的电压降数值，单位为mV；样品电流值:表示正向和反向流过样品的电流的平均值，单位为mA；光标指示值：按下“光标移动”键时,可见一个大“十”字形光标随之移动，交点处水平方向的数值为光
12、标指示温度值，单位为K，而垂直方向的数值为光标指示电压值，单位为mV。改变恒温器与液面的距离，可以获得不同变化速率的升降温特性曲线。4、退出测量 按键盘上的ESC键，按提示输入文件名(缺省名为HT288C.TXT),确认后退出。5、数据处理 点击电脑显示屏“数据处理”图标，进入数据处理工作程序，按菜单操作。本讲稿第十五页，共十六页 五、思考与讨论五、思考与讨论1.超导体分几类,有几种状态?各是什么状态?2.测量电流为什么必须反向,不反向会发生什么问题?3.什么是迈斯纳效应?4.进入超导态的物质有哪两种特性?5.什么是高温超导材料?6.试比较理想导体与超导体的区别。7.举例说明超导的应用(可自己设计一些应用)。8.用你所掌握的知识分析实验中出现的一些现象(如温差电势及接触电势)。9.超导体的零电阻现象是如何测量的?10.试分析超导体零电阻现象。本讲稿第十六页，共十六页