高 Tc 超导体电阻 —温度特性的测量

唐磊 电科 091

学号： 09461124

超导托卡马克核聚变实验装置

托卡马克是一个由封闭磁场组成的环形装置，通过在装置内加入氘和氚并创造一定的条件 , 使得氘氚发生核聚变反应释放巨大能量，其原理与太阳的聚变能原理相同。

各种超导材料制成的电线！

一块磁体漂浮在与它极性相反的强磁场中，而这个磁场是由液氮降温的铜氧化物超导体产生的

研究背景• 1908 年，荷兰物理学家 K.Onnes 成功的液化氮气，低温区温度

达到 4.2K 以下， 3 年后，他在研究固体汞的电阻在低温下的变化情况时发现，当温度降到 4.2K 时，汞的电阻几乎突然降到零，这样电阻出现“零”的现象称为超导。 K.Onnes 发现汞的超导电性之后，又发现另外 23 种纯金属也具有超导电性，其中 Nb 的超导温度为 9.25K ，由于在液态氮和超导一方面的突出贡献，在 1913 年 K.Onnes获得诺贝尔物理学奖。此后超导电性的研究取得了一个又一个的成绩，1952 年发现硅化矾超导临界温度为 17K ，铌锡合金超导临界温度 18K 。 1973 年发现铌鉏合金临界温度 23.2K 。在 1986 年以前的 74 年中，平均每年临界温度上升 0.5K 。 1986 年 1 月瑞士的 J.G.Bednorz和 K.A.Maller 发现了镧 - 钡 - 铜 - 氧化合物进入超导态的开始转变温度达到 35K 。 1987 年美籍华裔朱经武教授报告， Y-Ba-Cu-O 系统在 80~93K 温区可获得稳定的超导转变，首次实现了液氮沸点以上超导转变。研究还在继续中！

• 年轻的你还在等什么？挥斥方遒，粪土当年万户侯。

超导体发展里程

• 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；

• 1986 年柏诺兹和缪勒发现了 35K 超导的鑭钡铜氧体系；• 1987 年初美国吴茂昆（朱经武）等和我国物理所赵忠贤等宣布了 90K 钇钡铜氧超导体的发现，第一次实现了液氮温度（ 77 K ）这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了 1987 年度诺贝尔物理学奖；

• 1987 年底，我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧高温超导体；

• 1988 年初日本研制成临界温度达 110K 的铋锶钙铜氧超导体；• 1988 年 2 月盛正直等又进一步发现了 125K 铊钡钙铜氧超

导体；• 1993 年 法国科学家发现了 135K 的汞钡钙铜氧超导体

超导体发展里程

• 至此，高温超导体包括四大类： 90K 的稀土系， 110K 的铋系， 125K 的铊系，和 135K 的汞系。它们都含有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体。它们具有类似的层状结晶结构，铜氧层是超导层。高温超导体已经取得了实际应用，开始为人类造福。例如，钇钡铜氧超导体和铋系超导体已制成了高质量的超导电缆。

• 新的和更高温度超导体的探索工作一直在紧张地进行着。因为高温超导理论还没有很好的建立，探索工作的进展是缓慢的。虽然新超导体和更高温度超导性时有报道，但真正的新突破还没有取得。

逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为 Hc 。

有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc

2)

正常态H

Hc(0)

Tc T

临界磁场临界磁场

超导态

临界电流临界电流

超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为 Ic 。目前，常用电场描述 Ic(V) ，即当每厘米样品长度上出现电压为 1V 时所输送的电流。

Ic(V) I

V

失超

第一类超导体

1.只有一个临界磁场 BC， T<TC，进入超导态。

2.外加一磁场， B<BC,完全抗磁性，超导态。

B从高于 BC降到 B<BC,正常态

第二类超导体

有 2个临界磁场 BC1， BC2， (BC1<BC

2),当外界磁场 B<BC1时，材料处于超导态，称为迈斯纳态，具有完全抗磁性；当 BC1<B<BC2时，材料处于超导态和正常态的混合状态，称为混合态；当 B>BC2时，材料进入正常态。

• 超导体中的电子形成了电子对，称为库伯对。当温度低到接近绝对温度几 K 时，由于热躁动几乎消失，一个自由电子会对另一个自由电子产生吸引力，从而形成库伯对，当库伯对中的一个电子受到晶格作用而改变动量时，另一个电子也同时受到晶格的作用而发生相反的动量改变，这样库伯对的总动量不变，即晶格既不减慢也不加快库伯对的运动，在宏观上表现为超导体对电流的电阻为零。

• 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。

实验内容• 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型高 Tc 超导材料的电阻一温度特性测量仪”，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、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”区域同时显示相应的工作参数值。

• 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 ,

问题罗列• . 测量电流为什么必须反向 ,不反向会发生

什么问题 ?• 答：在直流低电势测量中，由于构成电路的各部件和导

线材料存在不均匀性和温差，即使电路没有外电源，仍然会有温差电动势存在，它不随电流的反向而改变，实验中必须将电流反向以检测是否有温差电动势的影响，电流反向时，如果超导样品电压不变，则证明超导体电阻为零；仪器灵敏度越高，则以上判定越准确，测量精度就越高。

• 什么是迈斯纳效应 ?

• 答： 迈斯纳（ Miesser ）效应又叫完全抗磁性 , 迈斯纳（ W.Meissner ）和奥森菲尔德（ R.Ochsebfekd ）发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。 B=0(H+M)=0,

• 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+μ0M=0 。由此求得金属在超导电状态的磁化率为 χ=μ0M/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”，超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应。

• 试比较理想导体与超导体的区别

• 答：理想导体内部电磁场为 0 ，表面是个等电位面。 理由：有磁场就会使导体内部的电荷移动，电荷分布不均必然也会产生磁场，最终结果就是二者互相抵消，达到平衡，合场强为 0 ，而不是真的没有磁场。因此，根据这个可以用金属罩进行电磁屏蔽，防止外部磁场对内部电子设备的干扰。

• 超导体就是导电时电阻为 0 ，即没有电阻，没有电能消耗

实验图片

未来趋势• 目前，第一代超导线材——铋氧化物线材已达到商业化水平。

东京电力公司试制成功长 100 米、 3 相、 66 千伏的超导电缆，美国不久也将进行 100 米超导电缆的安装试验。日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置等，预计 5 年后达到目标。日本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中，预计将从明年开始进行研究和试制。目前各国都在积极研究开发第二代超导线材——钇系列线材。其中，包含钇的 YBCO( 钇铋铜氧 ) 和包含钕的 NBCO( 钕铋铜氧 ) 这两种线材，由于有更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。

• 日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材， 2005年前后将会开发成功，并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列超导材料的制造技术已经基本确立起来，正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电子元件：其一是超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测量极其微

弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件 ,但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。 C60 超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使 C60 超导体更有望实用化。 C60 被誉为 21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型 C240 、 C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。

第六种物质形态诞生 有助开发下一代超导体

科学家表示，在继气体、固体、液体、等离子体以及 1995 年创造出的玻色 -爱因斯坦凝聚态 (BEC,Bose-Einstein Condensate) 之后，科学家创造出世界上第六种物质形态：费密冷凝物。专家预测，这种崭新的物质形态的出现有助于下一代超导体的诞生。下一代超导体技术料可在发电、磁浮列车和众多其它领域大显身手。这种物质不是超导体，但却处在两种物质形态之间，它可以帮助科学界将这两种有趣的性质连结起来。”

第六种物质形态

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感想• 高 Tc 这个实验操作挺简单的，当看到液态氮气沸腾的样子，就不禁想自己动手玩一下，实验的操作也很简洁，很多工作全是系统在程序的设计下自动完成。但它所涉及的却是一个很有前景的研究领域——超导体，一个在我们中学阶段就不断出现的词汇，当时还是迷迷糊糊，通过本次实验，我收获了一个工具软件Origin 的操作，初步体会了它强大的功能，将它和 Matlab做了浅显的比较，了解了什么是超导体，原理，电性，在现实中的应用，技术对我们日常生活产生了很深远的影响，充实自身知识，明确科学信仰，励志成为科学的拥趸，对作为社会主义公民的我们有着巨大意义。

谢谢观赏！