高温超导高温超导转变温度的测量转变温度的测量

物理与电子科学学院

仲明礼

• 引入：

• 今天我们要进行的实验是高温超导转变温度的测量实验，在大家作实验前我从以下５个方面对实验进行讲述，讲的过程中大家可以提问，在作实验前大家要把各个细节都搞清楚：

一、超导的历史与应用• 历史• 1911 年 : 卡茂林－昂尼斯意外地发现，将汞冷却到－

268.98℃ 时，汞的电阻突然消失；后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性

• 1987 年 2 月 16 日 : 美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为 98K 的超导体

• 1987 年 2 月 20 日 : 中国也宣布发现 100K 以上超导体。1987 年 3 月 3 日，日本宣布发现 123K 超导体。

• 1996: 年改进高温超导电线的研究工作取得进展，制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人，共同把 6000 米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。

一、超导的历史与应用• 应用

超群的超导磁体

超导计算机

高温超导薄膜

“ 在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到 5 万— 6 万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高 5—10 倍，达 1 万兆瓦，而体积却减少 1/2 ，整机重量减轻 1/3 ，发电效率提高 50 ％。

超导磁悬浮列车

本实验的目的 :1 、通过本实验对低温物理及测量方法有

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 、观察超导体的基本特性—零电阻现象；

测定超导体的临界温度。

二、高温超导转变温度的测量实验原理1 、概述 --- 超导是一种热力学态、是一种相变

接近绝对零度时，温度的降低导致物质的物理性质发生很大的变化。

1 、纯金属的电阻随温度的下降而减小，导热率在十分低的温度下经接近于零；半导体的电阻随温度的下降而指数上升；

2 、物质的比热在液氦温度下变得非常小，在较高温度下被热运动掩盖的金属电子比热有显现出来。

3 、温度的下降常伴随有各种类型的相变发生，其中最突出的是某些金属、合金和氧化物的材料所呈现的超导特性（超导体内无电场无磁场）。

3 、液体氦（ 2.18K 以下）的超流相（不呈现任何粘滞性，热导异常的高，具有爬行膜现象）。

在超导现象发现以后，人们一直在为提高超导临界温度而努力，目前氧化物高温超导材料体系较多， YB2Cu3O7 材料的转变温度 TC 在 90K 以上。

2 、高临界温度超导电性同时具有完全导电性和完全抗磁性的物质称为超导体。完全导电性和完全抗磁性是超导电性的两个最基本的性质。（ 1 ）零电阻现象：当物质的温度下降到某一确定值TC （临界温度）时，物质的电阻率由有限值变为零的现象称为零电阻现象，也称为物质的完全导电性。由正常的有阻状态（常导态）急剧地转为零电阻状态（超导态），如图的曲线Ⅰ。在样品不纯或不均匀情况下，超导转变所跨越的温区会展宽，如图的曲线Ⅱ。

• （ 2 ）迈斯纳效应 1933 年，迈斯纳（ W.F.Meissner ）和奥克森菲尔德(R.0chsenfeld) 把锡和铅样品放在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, 在超导体内部的磁感应强度 Bi 总是等于零的 ,这个效应称为迈斯纳效应 .表明超导体具有完全抗磁性 .这是超导所具有的独立于零电阻的想象的另一个最基本的性质 . 迈斯纳效应可以用磁悬浮实验来演示 . 当我们将永久磁铁慢慢落向超导体时 , 磁铁会被悬浮在一定的高度上而不触及超导体 . 其原因是 , 磁感应线无法穿过具有完全抗磁性的导体 ,因而磁场受到畸变而产生向上的浮力 .

3 、金属电阻随温度的变化铂电阻温度计

铂电阻的温度关系

半导体电阻以及 PN结的正向电压随温度的变化

3 、金属电阻随温度的变化

半导体锗的电阻温度关系

3 、金属电阻随温度的变化温差电偶温度计 当两种金属所做成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度时，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，例如液氮的正常沸点 77.4K, 则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一个接触点的温度。

选择温度的依据：稳定性、灵敏度、尺寸大小、复现性好坏。

三、低温制冷手段简介

国际制冷学会（ IIR ）于 1971 年对 0℃ 以下温区进行划分， T>120K 为冷冻温区， 120K<T<0.3K为低温区 ,T<0.3K 为超低温温区。

1 、低温制冷手段 （ 1 ）基于相变原理的制冷：利用氟里昂等工作介质的相变性质，可以制冷。这种制冷方式已广泛用于电冰箱、冷藏柜、去湿机、空气温度调节装置以及各种冷库。

（ 2 ）液氮、液氦：常压下的沸点为 77.364K 、 4.215K ，汽化潜热较大 161KJ/L 、 2.55KJ/L 。

（是低温物理（ 120K<T<0.3K 中的主要冷源）预冷：先在液氮之中冷却，在用液氦冷却，在液氮之

中冷却的过程叫预冷。例如：把 1km铜从 300K 冷却到 4.2K ，需要吸收掉 8

0KJ 的热量，如果只用液氦冷却，需要 31L 液氦；如果用液氮冷却到 77K ，再用液氦冷却，则只需要2.1L 的液氦。

(3) 电制冷： 利用半导体材料的珀尔帖效应，可以取得制冷效果。目前这种制冷方法主要用于医学和生物学领域。例如外科用的降温帽、降温毯、眼科用的白内障摘除器，以及医学、生物学领域广泛使用的冷冻切片机等，温度通常在－ 50℃以上。（ Peltier Effect ）两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应。

2 、低温恒温器及其温度控制 低温恒温器：就是在低温下一定的温度范围内，能满足特定实验条件的恒温装置。他通常由盛装低温液体的杜瓦瓶、感温元件与温度调节机构组成。在实验中常用的低温液体有液氮和液氦等。在常压下液氮和液氦的沸点温度分别是 77.3K 和 4.2K 。

四、实验装置和电测量线路1 、测量原理及其测量设备

电测量设备的核心是一台称为“ FD － RT－ 1 型高温超导转变温度测量仪”的实验装置。

杜瓦瓶及液氮

高温超导实验数据采集处理系统（微机系统）。

FD － RT － 1型高温超导转变温度测量仪

显示放大后的样品电压显示温度计电流

温度电流

样品电流

放大倍数

温度电压

样品电压

1000 3000 5000

右显示

左显示

电源

显示放大后的温度计电压显示样品电流

样品电 流调节

样品电流输出端

样品电压输出端

左显示器 右显示器

记录系统

铂温度计

超导样品

样品架集成运放电 路组成的恒流源

放大器

超导样品测量电路

测量仪器前视图： 左显示数字电压表显示的样

品电压，除以放大倍数（ 1000 或 3000 或 5000 ）就可以得到样品的原始电压。实验中取 5000倍。

右显示数字电压表显示的温度计电压，除以放大倍数 （ 40 倍）就可 以 得到温度计的原始电压。通过查表就可以得出温度值。

2 、四引线测量法：

超导样品I+ I-

样品电压放大器

1 欧姆铂电阻I+ I-

温度电压放大器

五、实验内容1 、仪器连接

将“装置连接电缆”两端的 9芯插头分别插在高温超导转变温度测量仪连接口与高温超导转变温度测量仪放大器连接口。同时接好样品电流连接线和样品电压连接线。并将 7孔插头分别插在高温超导转变温度测量仪连接口与高温超导转变温度测量仪放大器连接口。

2 、液氮的灌注

使用液氮一定要注意安全。例如，不要让液氮溅到人的身体上，也不要把液氮倒在杜瓦瓶外、测量仪器或引线上；液氮汽化时体积将急剧膨胀，切勿将容器出气口封死；氮气是窒息性气体，应保持实验室有良好的通风。

3 、测量前的焊接与调试（ 1 ）、测量前应先将钇钡铜氧样品焊接到高温超导

转变温度测量仪放大器的测量赶上。 焊接前先检查： 将焊接点处的四引线端短接，检查样品电流是否可调，以判断样品电路是否正常。在检查温度计电流是否为 1mA ，温度计电压是否为 4.3v左右，以判断铂电阻温度计是否正常。

将样品电流调到最小，关闭高温超导转变温度测量仪，焊上待测样品，检查无误后进行样品电流调节。

（ 2 ）、进行样品电流调节： 将焊接封装好的样品支架放入液氮瓶，用微机记录

超导材料电阻率随温度变化的特性曲线，根据显示的曲线对样品电流进行调节，使其 0 电流曲线与零坐标轴重合。

（ 1 ）、记录样品从室温降至液氮温度 80 多 K 时的电阻变化曲线，观察其超导转变过程。

（ 2 ）、记录样品从低温恢复到室温升温时，超导转变的反过程。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。

（ 3 ）、根据记录所得，确定超导样品的三种临界温度和转变宽度 ΔT 。

4 、记录样品电阻变化曲线，观察其超导转变过程。

一般应远小于该超导材料的临界电流，本实验中取 2 － 5mA左右。临界电流：当通过处于超导态中的超

导体的电流达到某一临界数值时，超导体即由超导态转变为正常态，这个电流称为临界电流 IC 。其原因是，当电流足够大时，它产生的磁场达到临界磁场，使超导体发生相变。实际上临界电流是临界磁场的一种表现形式。

样品所通电流的选择：

TCo

TCm

TCz

R90 ％ RN

50 ％ RN

 

10 ％ RN

T （ K）

R

（ 1 ）中点转变温度 TC

mid ：电阻为 0.5RN处的温度。（ 2 ）零电 阻 温 度 TC

zero ：电阻刚好降到零时的温度。（ 3 ） 转 变宽度 ΔT ：为 (90 ％— 10 ％ )RN 所对应的温度间隔。（ 4 ）起始转变温度 TC

onset ：电阻开始突然下降时的温度。

超导材料电阻率随温度变化的特性曲线中的几个概念：

超导体的电阻转变曲线的形状与哪些因素有关：

样品的纯度、成分、有无外磁场等。对于氧化物高温超导体更是如此。

6 、注意事项（ 1 ）千万小心不要将液氮泼洒在身上、手上，不要接触低温下的探测棒，以免冻伤。（ 2 ）、每次实验时只需倒入杜瓦瓶内 1升左右的液氮，倒入液氮时动作一定要缓慢，（ 3 ）、样品温度由铂电阻温度计测得，铂电阻温度计测到的电压数值，可由“电压—温度对照表”转变为温度数值。（ 4 ）超导样品每次实验时都要小心焊接，注意保护。 （ 5 ）恒流源不可开路，稳压电源不可短路。（ 6 ）不锈钢金属杜瓦容器的内筒壁厚仅为 0.5 ㎜ ,应避免撞击 .杜瓦容器底部的真空封嘴已用一段附加的不锈钢圆管加以保护 ,切忌磕伤。

六、思考与讨论六、思考与讨论1 、迈斯纳效应说明了什么？2 、在“四引线测量法”中，电流引线和电压引线能否互换？为什么？

3 、记录样品电阻变化曲线时，为什么要记录样品从室温降至液氮温度 77K 时的电阻变化曲线，同时又要记录低温恢复到室温升温时，样品的电阻变化曲线？对准确测量超导样品的转换温度是否有益？

谢谢！结束谢谢！结束

开始实验…………… .

祝实验成功！