高溫超導材料的特性與表徵實驗報告
10物理小彬連
摘要本實驗對高溫超導體的超導轉變曲線進行了測量，測量得到其起始轉變溫度，臨界溫度，零電阻溫度；進行了低溫溫度計的標定，證明了矽二極體溫度計和溫差電動勢在一定範圍內隨溫度變化的線性關係；通過高溫超導的磁懸浮演示了解高溫超導體的兩個獨有的特性：混合態效應和完全抗磁性，並測量得出磁懸浮力與超導體-磁體間距的關係曲線。
關鍵詞高溫超導體超到臨界引數零電阻現象完全抗磁性磁懸浮力
1、引言
2023年，荷蘭物理學家卡末林－昂納斯（用液氦冷卻水銀線並通以幾毫安的電流，在測量其端電壓時發現，當溫度稍低於液氦的正常沸點時，水銀線的電阻突然跌落到零，這就是所謂的零電阻現象或超導電現象。自從低溫超導體發現以來，科學家們對超導電性現象（微觀機制）和超導技術以及超導材料進行了大量的研究。
在超導技術開發時代，世界各國科學家相機取得了突破性進展，研製出臨界溫度高於液氮溫度的氧化物超導體，又稱為高溫超導體。超導研究領域的系列最新進展，為超導技術在個方面的應用開闢了十分廣闊的前景。超導電性的應用十分廣泛，例如超導磁懸浮列車、超導重力儀、超導計算機、超導微波器件等，還可以用於計量標準。
本實驗目的：通過在低溫條件下測量高溫超導體的電阻溫度曲線和低溫溫度計的比對，了解高臨界溫度超導材料的基本特性及測試方法，了解金屬和半導體的電阻隨溫度的變化及溫差電效應，掌握低溫物理實驗的基本方法：低溫的獲得、控制和測量。
二、實驗原理
1．超導現象及臨界引數
1）零電阻現象(如下圖）
超導現象：電阻突然跌落為零，或稱零電阻現象，並將具有此種超導電是的物體稱作超導體（只有直流電情況下才有零電阻現象）
tc（超導臨界溫度）：即當電流，磁場及其他外部條件保持為零或不影響轉變溫度測量的足夠低值是超導體呈現超導態的最高溫度。
tc，onest（起始轉變溫度）：降溫過程中電阻溫度曲線開始從直線偏離處的溫度。
δtc**變寬度）：電阻變化10%到90%所對應的溫度間隔。
tc0(零電阻溫度)：電阻剛剛完全降到零是的溫度。
2）完全抗磁性
當把超導體置於外加磁場中時，磁通不能穿透超導體，超導體內的磁感應強度始終保持為0，超導體的這個特性稱為邁斯納效應。（注意：完全抗磁性不是說磁化強度m和外磁場b等於零）
超導體的零電阻現象與完全抗磁性的兩個特性既相互獨立又有緊密的聯絡。完全抗磁性不能由零電阻特性派生出來，但是零電阻特性卻是邁斯納效應的必要條件。超導體的完全抗磁性是由其表面遮蔽電流產生的磁通密度在導體內部完全抵消了由外磁場引起的磁通密度，使其淨磁通密度為零，它的狀態是唯一確定的，從超導態到正常態的轉變是可逆的。
3）臨界磁場
下圖為第i類超導體臨界磁場隨溫度的變化關係
把磁場加到超導體上之後，一定數量的磁場能量用來建立遮蔽電流以抵消超導體的內部磁場。當磁場達到某一定值時，它在能量上更有利於使樣品返回正常態，允許磁場穿透，即破壞了超導電性。致使超導體由超導態轉變為正常態的磁場稱為超導體的臨界磁場，記為hc 。
如果超導體內存在雜質和應力等，則在超導體不同處有不同的hc ，因此轉變將在乙個很寬的磁場範圍內完成，和定義tc樣，通常我們把h = h0/2相應的磁場叫臨界磁場。
4）臨界電流密度
當電流達到某一臨界值ic後，超導體
將恢復到正常態，我們稱這個電流值為臨
界電流，隨溫度的公升高而減小。
2．溫度的測量：
溫度的測量是低溫物理中首要和基本的測量，也是超導效能測量中不可缺少的手段。
在低溫物理實驗中，溫度的測量通常有以下幾種溫度計：氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、電阻溫度計、熱電偶溫度計、半導體溫度計和磁溫度計。可根據溫區、穩定性及復現性等主要因素來選擇適當的溫度計。
在氧化物超導體臨界溫度的測量中，由於溫度範圍從300k→77k，我們採用鉑電阻溫度計作為測量元件。為了使同學們對溫度計使用有更多的了解，我們還採用熱電偶溫度計和半導體溫度計作為測溫的輔助手段。現將它們的測溫原理簡介如下：
1）鉑電阻溫度計：
鉑電阻溫度計是利用鉑的電阻隨溫度的變化來測量溫度的，鉑具有正的電阻溫度係數，由於金屬鉑具有很好的化學穩定性，體積小而且易於安裝和檢測，國際上已用它作為測溫標準元件。
2）溫差電偶溫度計：
由電磁學知，當兩種不同的金屬(a、b)接觸時，在接觸點處會產生接觸電勢差，如果把此兩不同金屬的導線聯成閉合迴路時，且兩個接觸點處在不同的溫度（t1，t2），則在迴路中就有電動勢e存在，這種電動勢稱為溫差電動勢，而迴路稱為溫差電偶，e的大小與a、b兩種材料及接觸處的溫度t1，t2有關。
3）半導體si二極體溫度計：
它是利用半導體二級管pn結的正向電壓隨溫度下降而公升高的特性來測量溫度的，不同半導體的pn結，其正向電壓與溫度的關係是不一樣的。矽二極體溫度計屬於二次溫度計，它需要經過標定後才能使用。在我們實驗中採用鉑電阻溫度計來標定si二極體溫度計。
標定時，si二極體通以幾十微安的恆定電流，測量pn結兩端正向電壓u隨溫度t的變化曲線。而溫度t的大小由鉑電阻溫度計讀出。
3．溫度的控制
溫量超導材料的臨界引數（如tc）需要一定的低溫環境，對於液氮溫區的超導體來說，低溫的獲得由液氮提供，而溫度的控制一般有兩種方式：恆溫器控溫法和溫度梯度法。
1）恆溫器控溫法：
它是利用一般絕熱的恆溫器內的電阻絲加熱來平衡液池冷量的。從而控制恆溫器的溫度（即樣品溫度）穩定在某個所需的溫度下。通過恆溫器位置公升降及加熱功率可使平衡溫度公升高或降低。
這種控溫方法的優點是控溫精度較高，溫度穩定時間長。但是，其測量裝置比較複雜，並需要相應的溫度控制系統。由於這種控溫法是定點控制的，又稱定點測量法。
2）四引線測量法：
恆流源通過兩根電流引線將測量電流提供給待測樣品，而數字電壓表則是通過兩根電壓引線來測量電流在樣品上所形成的電勢差，由於兩根電壓引線與樣品的接點處在兩根電流引線的接點之間，因此排除了電流引線與樣品之間的接觸電阻對測量的影響，又由於數字電壓表的輸入阻抗很高，電壓引線的引線電阻以及它們與樣品之間的接觸電阻對測量的影響可以忽略不計。
4．液面位置的確定：
對於金屬液氮容器（又稱金屬杜瓦）來說，探頭在容器中的位置是很難用肉眼觀察的。而且實驗過程中，液氮因揮發而使液面位置不斷變化。因此為實現樣品的溫度控制，需要觀察儀器上的「液面指示處」。
3、實驗內容
1. 室溫測量：開啟直流數字電壓表，電源盒，鉑電阻，矽二極體和超導樣品的開關，電壓表量程設為200mv。
（1） 調節工作電流，測量記錄電流和相應的電壓。
（2） 轉換開關換至「溫差電偶」和「液面計」，觀察電壓表的示值
2. 液氮的灌注：首先檢查和清理杜瓦容器，然後將輸液管的一段插入貯存液氮的杜瓦容器中並擰緊固定螺母，並將輸液管的另一端插入實驗用不鏽鋼杜瓦容器中，然後關閉貯存杜瓦容器上的通大氣的閥門，使液面位置距離瓶口30cm。
3. 低溫溫度計的比對：利用鉑電阻的低溫穩定的特點，以溫度為橫座標，測矽二極體的正向電壓值和溫差電偶的溫差電動勢，作為縱座標，畫出它們隨溫度變化的曲線。
4. 在低溫溫度計比對的同時，觀察和記錄超導樣品兩端電壓示數。
5. 高溫超導體的磁懸浮力測量
（1） 壓力—位移曲線測試2）壓力—時間曲線測試
4、實驗儀器
1．低溫恆溫器
2.不鏽鋼杜瓦容器
型直流數字電壓表
型高溫超導材料特性測試裝置
5、資料記錄及處理
1、室溫測量
鉑電阻 u=108.68mv i=100.00ma
矽二極體 u=0.5205v i=1.0000ua
樣品 u=0.062mv i=99.977ma
溫差電偶 u=0.001mv
液面指示處 u=0.012mv
2、紫銅恆溫塊降溫（資料見後附表）
（1）樣品ur/mv-t/k如圖一所示
圖一樣品u-t曲線
直線擬合圖如下：
轉變附近的曲線放大圖如下：
最高點(96.68,0.025)
如上圖所示，對這些關鍵點進行處理：
50%時y=0.013mv, tc=93.7k ;
10%時 y=0.0034mv, t1=93.2k ;
90%時 y=0.0226mv, t2=94.2k
δt= t2- t1=1.0k
（2）矽二極體ur/v-t/k如圖二所示
圖二矽電阻曲線
（3）溫差電偶u/mv-t/k如圖三所示
圖三溫差電偶曲線
3、磁懸浮力測量
（1）零場冷卻，使樣品在無磁場的環境下達到轉變溫度以下，此時樣品內部無磁通。
增大間距如圖四所示
圖四零場冷壓力位移曲線 （增大間距）
減小間距如圖五所示
圖五零場冷壓力位移曲線（減小間距）
（2）場冷，使樣品在有磁場的環境下達到轉變溫度以下，此時樣品內部有俘獲場。
圖六場冷壓力位移曲線
零場冷實驗，當減小間距時，樣品中感應電流產生磁場，對磁體的排斥力隨磁體的靠近而增大，當增大間距時，斥力逐漸減小到零並轉變為引力。而場冷實驗不論增大還是減小間距，都有一段表現為吸引力。兩次實驗的不同是由於先有磁場的情況下，當磁體離開後超導體中還存留了乙個俘獲磁通，所以當磁體再次減小間距時，殘留的俘獲磁通與磁體的磁場吸引，因此圖六中曲線才有呈現引力的部分。
（3）壓力與時間關係曲線測量
零場冷壓力與時間關係圖如下：
圖七零場冷壓力與時間關係圖曲線
零場冷實驗，壓力—時間曲線如圖七所示，壓力隨時間減小又增大減小，又增大減小。原因如下：1.
覆蓋在超導體表面的液氮面下降後我們又加了少量液氮，後來我們又加了一次液氮。液氮面的變化導致壓力變化。2.
磁場逐漸進入樣品中，使得斥力減小。（所以無論再加多少液氮都無法再次到達最大壓力。）
高溫超導實驗報告
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