上海交通大学物理实验报告（大二上）高温超导材料特性测量

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1、高温超导材料特性测量实验目的1了解高。临界温度超导材料的基本电特性和测量方法。2了解低温下半导体PN结的伏安特性与温度的关系。3了解低温实验的测量方法。实验原理1高温超导在低温测量时，为了减少漏热，样品的测量引线又细又长，引线的电阻与样品的电阻相比不可忽略，对超导样品来说，引线的电阻要大很多。为了减小引线电阻和接触电阻对测量带来的影响，通常采用四线测量法。四线测量法的方法如图1所示，外两根导线为电流端，可以流过较大的测量电流，一般采用恒流源共电。电流的大小可用标准电阻的电压算出。内两根导线为电压端，引线中流过的电流极小，这样就可以避免引线电阻和接触电阻带来的

2、测量误差。图一四端接线法在直流低电压测量中，如何判断和修正乱真电势带来的影响是十分重要的。实际上，由于材料的不均匀性和温差，就有温差电势的存在。通常称为乱真电势或寄生电势。我们只要用一段短的导线把数字电压表短接，用手靠近其中一个接线端来改变温度，我们就会看到数字电压表读数的变化。在低温实验中，待测样品和传感器处在低温中，而测量仪表处在室温中，因此它们的连接线处在温差很大的环境里，并且沿导线的温度分布还会随着低温液体液面的降低、低温容器的移动等变化而变化。所以在涉及直流低电压测量的实验中，判定和消除乱真电势的影响是实验中一个十分重要的步骤。2高温超导材料电性1

3、3转变温度并不是只由温度决定，只有保持在外磁场、流经电流和应力等值足够低时，超导样品的转变温度被称为超导临界转变温度Tc．由于一般上述条件不能完全满足（比如地磁场），而且超导转变往往有一个区域，因此引入起始转变温度Tconset，零电阻温度Tc0，和中点转变温度Tcm来表示，一般所说的转变温度Tc指的是Tcm．高温超导体样品超导特性的测量采用如图1所示的四端接法，外两根导线为电流端，连接恒流电源.内两根导线为电压端，连接内阻非常高的电压表.这样可以避免引线电阻和接触电阻带来的测量误差．1PN结伏安特性与温度的关系在半导体理论中可导出PN结的电压V和电流密度J

4、关系J=AT3+r2expqV-VgKBT 其中常数r≈1，A是比例因子，qVg=Eg，Eg是禁带宽度，Vg称能隙电压。对上式两边取对数，整理后得到V=kbqlnJA-3+r2lnTT+Vg在正常情况下，V

5、确定．131热电偶1821年塞贝克发现由两种不同金属组成的封闭回路，当两个接点的温度不同时，电路中会出现电动势，这个现象称为塞贝克效应。其产生的电动势称为热电势或温差电势。热电偶温度计的基本原理就是物理中的塞贝克效应。图2热电偶热电偶基本结构如图2所示。它由两种金属导线A、B组成，导线A的一端与导线B的一端焊接，形成热电偶的工作端，用它与被测物体保持热接触，焊点的温度为T1。用来连接测量仪表的两根导线C是同样的材料，与热电偶的自由端连接，自由端的温度T2稳定不变，所以又称为参考端。参考温度可以是水的三相点（273.16K），液氮（LN）的沸点（77.35K）

6、，或液氦（LHe）的沸点（4.2K）等。如果热电偶工作端与参考端的温度不等，则有温差电动势产生。温差电势的大小只与工作端与参考端的温差及电极材料有关，与电极的长度，直径无关。热电偶制作简单，测温端体积小、热容小、响应快，故得到广泛应用。但灵敏度不够高，一般不用于作高精度测量。在液氮至室温温区常用铜-铜镍热电偶，在液氦温度至室温温区可使用镍铬－金铁热电偶。铜-铜镍热电偶被人们广泛用来测量77K至273K的温度。这种热电偶材料容易做得均匀，且热电势稳定，有良好的复现性，在一般的实验室条件下即可制作。本实验就用铜-铜镍热电偶产生热电势，通过查表法求得温度（实验室提

7、供）2金属电阻13不同的材料，电阻率随温度的变化有很大的差别，它反映了物质的内部属性，是研究物质性质的基本方法之一。当温度高于绝对温度时，在金属中，电子的定向运动受到晶格的散射而呈现出电阻。研究表明，当（T/q）>0.5时，金属的电阻正比于温度T，其中q是德拜温度。θ＝hvmaxkB上述结论是对纯金属而言，而实际上金属存在杂质、缺陷、位错等，它们会对金属造成附加电阻，这部分电阻近似地与温度无关。在金属的纯度很高时，金属的总电阻率可表示为ρ=ρiT+ρ0在液氮温度以上时，ρiT≫ρ0，因此有ρ≈ρiT。例如，铂的德拜温度为225K，在63K到室温的范围内，其电

8、阻近似地正比于温度T。但精密的测量会发现它们偏离线性