高温超导材料特性测试实验报告

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1、高温超导材料特性测试物理学系201211141010安宇森【摘要】本次实验，我们利用液氮冷却测量了铜-康温差电偶的超导特性曲线。通过对Pt电阻温度计的特性曲线的测量，确定超导临界温度。最后，我们对磁悬浮现象以及抗磁性实验进行了观测。【关键词】超导临界温度迈斯纳效应【Abstract】Inthisexperiment,weusetheliquidnitrogentocooldownthetemperatureandthenweobservethesuperconductivityofthematerials.Throughthemeas

2、urementoftheptthermometers,wefindthecriticaltemperatureofthesuperconductor.Atlast,weobservetheresistanceofthemagnetinthesuperconductor.【keywords】superconductivitycriticaltemperatureMisnereffect8【引言】超导是指某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H·卡茂林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进

3、入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年

4、，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输

5、电的希望能在不久的将来得以实现。现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。【实验原理】2.1超导体的基本特征图1超导体电阻转变曲线当电流、磁场及其它外部条件（如应力、辐照等）保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的量高温度，被定义为临界温度。实验上，用电阻法测定临界温度时，一般都会得以如图1曲线，在此曲线中，通常把降温过程中电阻温度曲经开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度Tc,onset，把临界温度Tc定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度Tcm。把电

6、阻变化10%到90%所对应的温度区间定义为转变宽度，反应了样品的好坏程度。1933年，Meissner通过实验发现，无论加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零，即使超导体在处于外磁场中冷却到超导态，也永远没有内部磁场，它与加磁场的历史无关。这个效应被称为Meissner效应。磁场加到超导体上之后，一定数量的磁场能量用来立屏蔽电流的磁场以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许有磁场穿过，即破坏了超导电性。从磁感线的模型上分析，可以认为，对于超导体，当外界磁场过强时，部分磁感线会穿过超

7、导体，并被“禁锢”于其中，而此时超导体仍处于零电阻的超导态，此状态为超导的混合态，而此时的超导体具有一定的磁性。2.2电阻温度特性对于纯金属材料，电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。金属中，总电阻率可以表示为：8(1)(1)式中，表示晶格热振动对电子散射引起的电阴率，与温度有关，电阻与温度的关系决定于晶格振动散射。表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，在金属中杂质和缺陷散射的响一般是不依赖于温度的，而与杂质与缺陷的密度成正比。正因如此，杂质与缺陷只会改变金属电阻率的数值，而不会改变电阻率的温度系数。正因为金

8、属电阻率中有一项十分依赖于温度的存在，所以金属可以用来作为温度计的测温元件。对于半导体材料，本征半导体的电阻率为(2)电阻率由载流子浓度及迁移率决定。但由于载流子浓度随温度升高而指数上升，迁移率随温度升高而下降较慢，所以