4.4高温临界超导体临界温度的电阻测量法

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1、4.4高温临界超导体临界温度的电阻测量法1.引言早在1911年荷兰物理学家卡麦林—翁纳斯发现，将水银冷却到稍低于4.2K时，其电阻急剧下降到0.他认为，这种电阻突然消失的现象，是由于物质转变到了一种新的状态，并将此以零电阻为特征的金属态，命名为超导态。1933年迈斯纳和奥森菲尔德发现超导电性的另一特性：超导态时磁通密度为零或叫完全抗磁性，即Mcissner效应。电阻为零及完全抗磁性是超导电性的两个最基本的特性。超导体从具有一定电阻的正常态，转变为电阻为零的超导态时，所处的温度叫做临界温度，常用表示。

2、直至1986年以前，人们经过70多年的努力才获得了最高临界温度为23K的超导材料。1986年4月，Bednorz和创造性的提出了在Ba-La-Cu-O系化合物中存在高超导的可能性。1987年初，中国科学院物理研究所赵忠贤等在这类氧化物中发现了=48K的超导电性。同年2月份，美籍华裔科学家朱经武在Y-Ba-Cu-O系中发现了=90K的超导电性。这些发现使人们梦寐以求的高温超导体变成了现实的材料，可以说这是科学史上又一次重大的突破。其后，在1988年1月，日本科学家HirashiMaeda报道研制出临界

3、温度为106K的Bi-Sr-Ca-Cu-O系新型高温超导体。同年2月，美国阿肯萨斯大学的AllenHermann和Z.Z.Sheng等发现了临界温度为106K的Tl-Ba-Ca-Cu-O系超导体。一个月后，IBM的Almaden又将这种体系超导体的临界温度提高到了125K。1989年5月，中国科技大学的刘宏宝等通过用Pb和Sb对Bi的部分取代，使Bi-Sr-Ca-Cu-O行超导材料的临界温度提高到了130K。这是迄今所报道的最高的临界温度。氧化物超导材料成材困难、韧性差、临界电流密度低，临街磁场不高

4、等缺点局限了高温超导材料的应用，但已有包银铋锶钙铜氧组成线材获得越来越多的应用。2.实验目的2.1.利用稳态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系。2.2.通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法。2.3.学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理。3.实验仪器3.1.低温恒温器9实验用的恒温器如图1所示，均温块1是一块经过加工的紫铜块，利用其良好的导热性能来取得较好的温度均匀区，使固定在均温块上的样

5、品和温度计的温度趋于一致。铜套2的作用是使样品与外部环境隔离，减小样品温度波动。提拉杆3采用低热导的不锈钢管以减少对均温块的漏热，经过定标的铜电阻温度计4及加热器5与均温块之间既保持良好的热接触又保持可靠的电绝缘。超导样品6的安装是很重要的，前面已提及，样品要薄而平坦，用导电银浆粘接在均温块上；引线直径宜小，且与均温块保持良好的热接触及电绝缘。另外，样品电极的制作要可靠，以免经受低温冲击时引线脱落。铜电阻温度计的引线亦使用四引线法，以避免引线对测量的影响。测试用的液氮杜瓦瓶宜采用漏热小，损耗率低的产

6、品，其温度梯度场的稳定性较好，有利于样品温度的稳定。为便于样品在液氮容器内的上下移动，附设相应的提拉装置。图1低温恒温器1.1.测量仪器它由安装了样品的低温恒温器，测温、控温仪器，数据采集、传输和处理系统以及电脑组成，既可进行动态法实时测量，也可进行稳态法测量。动态法测量时可分别进行不同电流方向的升温和降温测量，以观察和检测因样品和温度计之间的动态温差造成的测量误差以及样品及测量回路热电势给测量带来的影响。动态测量数据经测量仪器处理后直接进入电脑X-Y记录仪显示、处理或打印输出，稳态法测量结果经由键

7、盘输入计算机作出R-T特性供分析处理或打印输出。2.实验原理2.1.临界温度的定义及其规定超导体具有零电阻效应，通常把外部条件（磁场、电流、应力等）维持在足够低值时电阻突然变为零的温度称为超导临界温度。实验表明，超导材料发生正常→超导转变时，电阻的变化是在一定的温度间隔中发生，而不是突然变为零的，如图2所示。起始温度(OnsetPoint)为R-T曲线开始偏离线性所对应的温度；中点温度(MidPoint)为电阻下降至起始温度电阻的一半时的温度；零电阻温度T为电阻降至零时的温度。而转变宽度ΔT定义为下

8、降到90%及10%所对应的温度间隔。高9材料发现之前，对于金属、合金及化合物等超导体，长期以来在测试工作中，一般将中点温度定义为，即=。对于高氧化物超导体，由于其转变宽度ΔT较宽，有些新试制的样品ΔT可达十几K，再沿用传统规定容易引起混乱。因此，为了说明样品的性能，目前发表的文章中一般均给出零电阻温度T(R=0)的数值，有时甚至同时给出上述的起始温度、中点温度及零电阻温度。而所谓零电阻在测量中总是与测量仪表的精度、样品的几何形状及尺寸、电极间的距离以及流过样品的电流大