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1、精选优质文档-倾情为你奉上 7-4 高温超导材料特性测试和低温温度计引言 1908年，荷兰莱顿大学的卡末林-昂纳斯（H. Kamerlingh Onnes）等人成功的使氦气液化，达到了4.2K的低温，三年后，他们发现汞电阻在温度达到4.15K时，陡降为零，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，这一发现标志人类对超导研究的开始，1913年昂纳斯也因此发现获得了诺贝尔物理学奖。1933年，荷兰的迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Ochsenfeld）共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，具有完全抗磁性，超导体内的磁感应强度为零
2、，人们将这种现象称之为 “迈斯纳效应”。自从超导现象被发现以来，科学家们在超导物理及材料方面进行了大量的研究工作，为提高超导的临界温度而努力。然而在数十年中进展缓慢，常规超导体临界温度只能提高到23.22K。1986年高温超导研究取得了突破性的进展，瑞士物理学家缪勒（Mueller）和德国物理学家贝德罗兹（Bednorz）发现了高温钡镧铜（La-Ba-Cu-O）系氧化物超导体，超导临界温度达到40K。这个发现意义重大，他们因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。目前，已发现具有超导性的材料数以千计，超导临界温度也在持续提高，1993年高温超导临界温度已达到136K，实现了在液氮温区超导的重大突破
3、，人们将临界温度在液氮温度（77）以上的超导体称为高温超导体。随着高温超导研究的进展，超导电性的应用十分广泛： 例如发电、输电和储能；超导重力仪、超导计算机、超导微波器件、超导磁悬浮列车和超导热核聚变反应堆等。测量超导体的基本性能是超导研究工作的重要环节，因此高温超导材料特性测量是超导研究工作者的必备手段。实验预习1 学习超导体的基本性质及超导材料的临界参数；2实验目的1 了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。2 掌握几种低温温度计的比对和使用方法，以及液氮低温温度控制的简便方法。实验原理一、超导电性及临界参数1零电阻现象图7-4-1 超导体的电阻转变曲线金属的电阻是由晶格上原子的热振
4、动（声子）以及杂质原子对电子的散射造成的。在低温时，一般的金属总具有一定的电阻，如图7-4-1所示，其电阻率与温度T的关系可表示为： (7-4-1) 其中，是K时的电阻率，称剩余电阻，它与金属的纯度和晶格的完整性有关，由于一般的金属，其内部总是存在杂质和缺陷，因此，即使温度趋于绝对零度时，也总存在。1911年，昂纳斯发现汞电阻在4.2K附近急剧下降几千倍，即在这个转变温度下电阻突然跌落到零，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，
5、而且超导转变往往发生在并不很窄的温度范围内，因此通常引进起始转变温度、零电阻温度 和超导转变(1/2处)温度等来描写高温超导体的特性，如图7-4-1 所示。 通常所说的超导转变温度 是指。 2迈斯纳效应1933 年，迈斯纳和奥克森菲尔德把锡和铅样品放在外磁场中冷却到其转变温度以下，测量了样品外部的磁场分布。他们发现，不论是在没有外加磁场或有外加磁场的情况下使样品从正常态转变为超导态，只要T Tc,onset 温区，每测完一点都要把转换开关旋至“液面计”档，用158 PZ 型直流数字电压表监测液面的变化。在发生超导转变的过程中，即在Tc0 T Tc,onset 温区，由于在液面变化不大的情况下，
6、超导样品的电阻随着温度的降低而迅速减小，因此不必每次再把转换开关旋至“液面计”档，而是应该密切监测超导样品电阻的变化。当超导样品的电阻接近零值时，如果低温恒温器的降温已经非常缓慢甚至停止，这时可以逐渐下移拉杆，使低温恒温器进一步降温，以促使超导转变的完成。最后，在超导样品已达到零电阻之后，可将低温恒温器紫铜圆筒的底部接触(不要深入)液氮表面，使紫铜恒温块的温度尽快降至液氮温度。在此过程中，转换开关应放在“温差电偶”档，以监视温度的变化。数据处理1 用坐标纸分别绘出测得的超导样品、铂电阻、硅二极管、温差电偶随温度变化的曲线；2 根据测得超导体电阻随温度变化曲线，确定其起始转变温度、转变温度和零电
7、阻温度； .3 计算铂电阻在85130K温度时线性方程的a、b值。注意事项1所有测量必须在同一次降温过程中完成，应避免紫铜恒温块的温度上下波动。如果实验失败或需要补充不足的数据，必须将低温恒温器从杜瓦容器中取出并用电吹风机加热使其温度接近室温，待低温恒温器温度计示值重新恢复到室温数据附近时，重做本实验。2恒流源不可开路，稳压电源不可短路。PZ158 直流数字电压表也不宜长时间处在开路状态，必要时可利用随机提供的校零电压引线将输入端短路。3低温下，塑料套管又硬又脆，极易折断。在实验结束取出低温恒温器时，一定要避免温差电偶和液面计的参考端与杜瓦容器(特别是出口处)相碰。4在旋松固定螺母并下移拉杆时，一定要握紧拉杆，以免拉杆下滑。问题思考1如何判断低温恒温器的下档板或紫铜圆筒底部碰到了液氮面？2为什么采用四引线法可以避免引线电阻的影响？在“四引线法测量”中，电流引线和电压引线能否互换？为什么？3确定超导样品的零电阻时，测量电流为何必须反向？该方法所判定的“零电阻”与实验仪器的灵敏度和精度有何关系？参考文献1 张礼主编，近代物理学进展，北京：清华大学出版社，19972 陆果等，高温超导材料特性测试装置，物理实验，2001.21（5）；7-12专心-专注-专业