高溫超導材料的特性與表征摘要本實驗中我們通過控制超導樣品距離液氮面的距離達到控制溫度的效果，測量高溫超導材料兩端電壓得到高溫超導材料的轉變曲線，以及硅二極管的正向電壓和溫差電偶的溫差電動勢隨溫度的變化曲線。高溫超導體的磁懸浮演示，以及零場冷和冷場情況的比較進一步加深了對釘扎力和磁通俘獲的效應的理解。關鍵詞高溫超導，超導磁懸浮，轉變曲線引言從1911年荷蘭物理學家卡墨林翁納斯發現低溫超導體到現在，超導科技發展大體經歷三個階段。基本探索認識階段，，開展超導技術應用的準本階段，自1986年發現超導轉變溫度高于30K的超導材料后，人類逐漸轉入超導技術的開發時代，此后發現了大量高溫超導體，轉變溫度不斷提高。講轉變溫度高于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，為超導技術在各方面的應用開辟了十分廣闊的前景。本實驗中我們通過對氧化物高溫超導材料超導轉變曲線的測量和磁懸浮演示，加深理解了超導體的零電阻現象和MEISSNER效應這兩大重要特征。同時了解超導磁懸浮原理，金屬和半導體電阻隨溫度的變化，溫差電效應以及低溫物理實驗的基本方法和技巧。原理超導現象：電阻突然跌落為零，或稱零電阻現象，并將具有此種超導電是的物體稱作超導體（只有愛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（轉變寬度）：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。MEISSNER效應：超導體在磁場中產生感應電流，且超導體電阻為零，感應電流一直存在，產生與周圍磁場相反的“屏蔽磁場”，顧超導體內磁感應強度總是零，且與家磁場的先后順序無關。臨界磁場Hc：當磁場達到某一定值是，它在能量上更有利于使樣品返回正常態，允許磁場穿透，破壞超導電性。本實驗研究的高溫超導體屬于第二類超導體，存在下臨界磁場Hc1，混合態H和上臨界磁場Hc2.而第一類超導體只有一個臨界磁場，并且沒有混合態。臨界電流密度：當電流達到某一臨界值Ic后，超導體將恢復到正常態，我們稱這個電流值為臨界電流，隨溫度的升高而減小。釘扎力和釘扎中心：只有體內組分均勻分布，不存在各種晶體缺陷，其磁化行為才呈現完全可逆，稱為理想第二類超導體，反之叫做非理想第二類超導體或硬超導體。非理想的第二類超導體存在缺陷，當H》Hc1時缺陷阻止磁場進入，當車去磁場是，缺陷也將阻止磁場離開超導體，因此形成了磁通俘獲。非理想的第二類超導體中俘獲磁通是穩定的，說明其中的渦旋線存在一種力，克服洛倫茲力，使渦旋線保持穩定（當外磁場為零時把這種力叫做釘扎力，缺陷叫做釘扎中心）。純金屬材料的電阻溫度特性：純金屬晶體的電阻是由晶體的電子被晶格和晶格中的缺陷的熱振動散射引起的。雜質和缺陷不影響電阻的變化率。半導體電阻隨溫度的變化率小于零，這是半導體有別于金屬的一個重要特征。實驗儀器和實驗方法：低溫恒溫器和不銹鋼杜瓦容器，用于低溫溫度的獲得和控制，控溫程序是從高溫到低溫，液氮溫度為77.4k。裝在杜瓦瓶中，方法是利用液面以上空間存在的溫度梯度來獲得所需的溫度，樣品溫度及降溫速率的控制是靠在測量過程中改變低溫恒溫器在杜瓦容器內的位置來實現。只要降溫速率足夠慢，就可以認為在每一時刻都達到了溫度的動態平衡。電測量設備:BW2型高溫超導材料特性測試裝置，靈敏度為1微伏的PZ158型直流數字電壓表。四引線測量法：恒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，由于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，又由于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。超導樣品測量電路：即使電路中沒有來自外來電源的電動勢，只要材料存在不均勻性和溫差，就有溫差電動勢存在，通常稱為亂真電動勢或寄生電動勢。為了消除直流測量電路中固有的亂真電動勢的影響，我們在采用四引線測量法的基礎上還增設了電流反向開關，用以進一步確定超導體的電阻確已為零。實驗內容：室溫測量：打開直流數字電壓表，電源盒，鉑電阻，硅二極管和超導樣品的開關，電壓表量程設為200mV。調節工作電流，測量記錄電流和相應的電壓。轉換開關換至“溫差電偶”和“液面計”，觀察電壓表的示值液氮的灌注：首先檢查和清理杜瓦容器，然后將輸液管的一段插入貯存液氮的杜瓦容器中并擰緊固定螺母，并將輸液管的另一端插入實驗用不銹鋼杜瓦容器中，然后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。低溫溫度計的比對：利用鉑電阻的低溫穩定的特點，以溫度為橫坐標，測硅二極管的正向電壓值和溫差電偶的溫差電動勢，作為縱坐標，畫出它們隨溫度變化的曲線。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。高溫超導體的磁懸浮力測量壓力—位移曲線測試（2）壓力—時間曲線測試數據處理和實驗結果分析原始數據處理鉑電阻兩端電壓（mV）鉑電阻溫度（K）硅二極管正向電壓（V）溫差電偶溫差電動勢（mV）超導樣品兩端電壓（mV）超導樣品電阻（Ω）90242.2120.50353.5150.4270.0085488.5238.66360.50543.4440.420.008486.29233.43560.51553.2360.4130.0082685.75232.15820.51733.2130.4110.0082283.87227.71090.52673.0690.4050.008181.9223.05060.53292.8920.3990.0079879.65217.7280.54392.7150.3910.0078277.7213.11510.54932.5120.3860.0077275.72208.43120.55642.3890.380.007670194.90.5662.0950.3610.0072267.5188.9860.5761.9780.3520.0070465183.0720.5861.8170.3440.0068862.5177.1580.59421.6370.3360.0067260171.2440.60541.4470.3270.0065457.5165.330.61241.2910.3190.0063855159.4160.631.1620.310.006252.5153.5020.63931.0720.3020.0060450147.5880.65070.9940.2930.0058647.5141.6740.65750.9150.2850.005745135.760.66650.8690.2750.005542.5129.8460.6790.7980.2640.0052841.5127.48040.68030.780.2610.0052240.5125.11480.68250.7680.2570.0051439.5122.74920.68540.7170.2540.0050838.5120.38360.68790.680.250.00537.5118.0180.69310.6350.2450.004936.5115.65240.69950.5870.2410.0048235.5113.28680.69910.5460.2360.0047234.5110.92120.69990.5040.2310.0046233.5108.55560.69820.4610.2260.0045232.5106.190.69950.4180.2210.0044231.5103.82440.70190.3760.2150.004330.5101.45880.70380.3390.210.004229.599.09320.70910.2040.0040828.596.72760.1940.0038827.594.3620.1520.0030426.591.99640.1110.0022226.291.286720.0080.000162690.81360.0010.0000225.589.63080.00050.000012383.71680022.582.534001）由鉑電阻溫度和超導樣品兩端電壓繪制出超導轉變曲線，如圖一所示：圖一超導轉變曲線由圖一可知，起始轉變溫度Tc，onest約為101.4588K，零電阻溫度Tc0約為91.28672K。由鉑電阻溫度和硅二極管正向電壓，繪制出硅二極管正向電壓—溫度曲線，如圖二所示：圖二硅二極管正向電壓—溫度曲線由此可見，硅二極管的電阻隨溫度的升高而線性減小，回歸方程為y=-0.0015x+0.8651，R2=0.9988。3）由鉑電阻溫度和溫差電偶溫差電動勢，繪制出溫差電偶溫差電動勢—溫度曲線，如圖三所示：圖三溫差電偶溫差電動勢—溫度曲線可見，溫差電阻的溫差電動勢隨溫度的升高而線形增大，回歸方程為：y=0.0218x-2.031，R2=0.9861。在超導樣品電壓趨近與零時，反向電壓與正向電壓一致，說明排除了亂真電動勢。實驗結果與分析：1）壓力—位移曲線測試零場冷實驗，壓力—位移曲線如圖四所示：下行上行下行上行圖四零場冷壓力位移曲線場冷實驗，壓力—位移曲線如圖五所示：下行下行上行圖五場冷壓力—位移曲線零場冷實驗即在沒有磁場的情況下使樣品達到超導態，當磁體下行時，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，當磁體上行時，斥力逐漸減小到零并轉變為引力。而場冷實驗是在已經有磁場的情況下使樣品達到超導態，由圖五所示，不論上行還是下行過程，都有一段表現為吸引力。兩次實驗的不同是由于先有磁場的情況下，當磁體離開后超導體中還存留了一個俘獲磁通，所以當磁體再次下行時，殘留的俘獲磁通與磁體的磁場吸引，因此圖五中下行曲線才有呈現引力的部分。壓力—時間曲線測試a.零場冷實驗，壓力—時間曲線如圖六所示，壓力隨時間逐漸減小，原因如下：1.覆蓋在超導體表面的液氮面下降，，導致壓力減小。2.磁場逐漸進入樣品中，使得感生磁場變弱，使得斥力減小。b.場冷實驗，壓力—時間曲線如圖七所示，從總體趨勢上看，猜想引力不隨溫度改變。引力變大的原因可能是液氮面下降導致超導體表面壓力下降，于是大膽地加入一些液氮，果然引力又下降了，從而證實了猜想。比較：零場冷實驗中，磁場逐漸進入樣品中。而場冷實驗中，磁場從一開始就已經在樣品中了，沒有逐漸變化的過程。圖六零場冷壓力—時間曲線圖七場冷壓力—時間曲線磁懸浮演示實驗：浮起的磁鐵無法上下移動，可以在固定的高度旋轉，