高温超导材料特性测试和低温温度计

摘 要：采用杜瓦容器和低温恒温器获得从液氮沸点到室温的任意温度，在此条件下，测量高温超导材料电阻，确定其起始转变温度和零电阻温度，并观察记录铂电阻温度计、硅二极管温度计及铜-康铜温差电偶温度计测温参量的变化，进行温度计的比对。

关键词：液氮、高温超导、铂电阻、硅二极管、铜-康铜温差电偶

一、        引言

具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。一般达到超导状态需要很低的温度，大大约束了超导材料的实际应用。从1911年发现超导现象至今，人们一直为提高超导材料的临界温度而努力。1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

二、        实验原理

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高温超导转变温度测量

摘要：很多金属材料都有一定的电阻。这些金属材料用于给定技术方面时，有一定的负面作用，例如电流流过金属材料时会发热，若电阻过高会损坏金属器件；另一方面也造成了能量损失。而一些超导材料在满足一定低温时是零电阻，可制造无损耗或者损耗极小的高强磁体，减少了过多的能量损失。因此其转变温度的测量至关重要。

关键词：超导材料；零电阻；转变温度；无损耗

引言：高温超导转变温度测量仪是测量超导体零电阻基本特性的专用实验设备，用以观察、测定超导体的最基本参量—转变温度。采用常规的四引线法，在恒定电流下测量电阻－温度关系，进而测定转变温度。实验中通过样品提离和浸入液氮来实现温度的升降。

一、 实验目的

? 学习液氮低温技术；

? 测量氧化物超导体的临界温度，掌握用测量超导体电阻—温度关系测定转变

温度的方法。

? 了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法。

二、对超导体的理解

1、零电阻现象

当把金属或合金冷却到某一确定温度TC以下，其直流电阻突然降到零，把

这种在低温下发生的零电阻现象称为物质的超导电性，具有超导电性的材料称为超导体。电阻突然消失的某一确定温度TC叫做超导体的临界温度。在TC以上，超导体和正常金属都具有有限的电阻值，这种超导体处于正常态。

2、完全抗磁性

当把超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透超导体，而使体内的磁感应强度始终保持为零。

二、

仪器介绍

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实验装置图

1、探棒

探棒是安装超导样品和温度计供插入低温杜瓦瓶实现变温的实验装置。控制探棒插入液氮中的深度，可以改变样品架的温度变化速度。超导样品为常规的四引线接头方式，其电流、电压引线分别连接到样品架的相应接头上。样品架的温度由铂电阻温度计测定。

探棒样品室内部结构示意图

2、前级放大部分

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前级放大器框图

其中1为样品上的电压经放大器放大1000倍后的输出, 其与主机的连接线在5芯航空头上。

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实 验 报 告

姓    名：王航       班    级：F0703028    学    号：5070309025  实验成绩：

同组姓名：孙鼎成    实验日期：2008.10.20  指导教师：助教35     批阅日期：

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测量误差。

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。

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近代物理实验I

实验报告

高温超导相关实验

实验者： 明亮 08300190034

合作者： 余高 08300190057

林杰 07300190016

指导教师： 姚红英

汪人甫

高温超导相关实验

摘要：本实验中通过制备高温超导块材YBaCuO，并对高温超导块材YBaCuO与Bi系高温超导片材的相关性质进行测量与观察，了解高温超导材料的基本电磁学特性

关键词：高温超导，零电阻现象，完全抗磁性

一、 实验目的

1. 制备高温超导块材YBaCuO

2. 测量高温超导块材YBaCuO与Bi系高温超导片材的转变温度，理解超导材料的零电阻现象

3. 观察高温超导块材YBaCuO的电磁感应屏蔽与磁悬浮现象，理解超导材料的完全抗磁现象

二、 实验原理

1. 高温超导块材YBaCuO的制备化学反应方程式O2? Y2O3? 4BaCO3? 6CuO ? 2YBaCuO7? 4CO2

2. 超导材料的零电阻现象

超导材料冷却到TC之下时其直流电阻会突然降到零，使电阻突然消失的温度TC称为超导体的临界温度，测量时因为转变宽度ΔTC的存在，通常把样品电阻降到转变前正常态电阻值一半时的温度定义为超导体的临界温度TC

3. 超导材料的完全抗磁性 对于理想导体，由麦克斯韦方程组可知，在从

正常态到零点组态的时候，守恒的量为磁通密

度，即理想导体在磁场中的行为与过程有关；

但超导体的实际情况是超导状态下磁通密度恒 为零，这是由于超导体虽然与理想导体的电阻

均为零，但是超导体的表面可以被极化，产生

的屏蔽电流抵消了外场的影响，使得净磁通为 零。所以超导体在磁场中的行为与过程无关，在给定条件下的状态是唯一的，在超导状态下表现出完全抗磁性

三、 实验记录及分析

1. 高温超导块材YBaCuO的制备

1) 化学反应方程式O2 + Y2O3 + 4BaCO3 + 6CuO = 2YBaCuO + 4CO2

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高温超导材料的特性与表征

摘 要  本实验中我们通过控制超导样品距离液氮面的距离达到控制温度的效果，测量高温超导材料两端电压得到高温超导材料的转变曲线，以及硅二极管的正向电压和温差电偶的温差电动势随温度的变化曲线。高温超导体的磁悬浮演示，以及零场冷和冷场情况的比较进一步加深了对钉扎力和磁通俘获的效应的理解。

关键词  高温超导，超导磁悬浮，转变曲线

引 言  从1911年荷兰物理学家卡墨林翁纳斯发现低温超导体到现在，超导科技发展大体经历三个阶段。基本探索认识阶段，，开展超导技术应用的准本阶段，自1986年发现超导转变温度高于30K的超导材料后，人类逐渐转入超导技术的开发时代，此后发现了大量高温超导体，转变温度不断提高。讲转变温度高于液氮温度的氧化物超导体又称为高温超导体。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。

本实验中我们通过对氧化物高温超导材料超导转变曲线的测量和磁悬浮演示，加深理解了超导体的零电阻现象和MEISSNER效应这两大重要特征。同时了解超导磁悬浮原理，金属和半导体电阻随温度的变化，温差电效应以及低温物理实验的基本方法和技巧。

原 理 

1）      超导现象：电阻突然跌落为零，或称零电阻现象，并将具有此种超导电是的物体称作超导体（只有爱直流电情况下才有零电阻现象）

Tc（超导临界温度）：即当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值是超导体呈现超导态的最高温度。

Tc，onest（起始转变温度）：降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度。

ΔTc（转变宽度）：电阻变化10%到90%所对应的温度间隔。

Tc₀(零电阻温度)：电阻刚刚完全降到零是的温度。

1）      MEISSNER效应：超导体在磁场中产生感应电流，且超导体电阻为零，感应电流一直存在，产生与周围磁场相反的“屏蔽磁场”，顾超导体内磁感应强度总是零，且与家磁场的先后顺序无关。

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高温超导转变温度测量

徐旭东 物理112 11180243

摘要：很多金属材料都有一定的电阻。这些金属材料用于给定技术方面时，有一定的负面作用，例如电流流过金属材料时会发热，若电阻过高会损坏金属器件；另一方面也造成了能量损失。而一些超导材料在满足一定低温时是零电阻，可制造无损耗或者损耗极小的高强磁体，减少了过多的能量损失。因此其转变温度的测量至关重要。

关键词：超导材料；零电阻；转变温度；无损耗

引言：高温超导转变温度测量仪是测量超导体零电阻基本特性的专用实验设备，用以观察、测定超导体的最基本参量—转变温度。采用常规的四引线法，在恒定电流下测量电阻－温度关系，进而测定转变温度。实验中通过样品提离和浸入液氮来实现温度的升降。

一 实验目的

? 学习液氮低温技术；

? 测量氧化物超导体的临界温度，掌握用测量超导体电阻—温度关系测定转变

温度的方法。

? 了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法。

二、对超导体的理解

1、零电阻现象

当把金属或合金冷却到某一确定温度TC以下，其直流电阻突然降到零，把

这种在低温下发生的零电阻现象称为物质的超导电性，具有超导电性的材料称为超导体。电阻突然消失的某一确定温度TC叫做超导体的临界温度。在TC以上，超导体和正常金属都具有有限的电阻值，这种超导体处于正常态。

2、完全抗磁性

当把超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透超导体，而使体内的磁感应强度始终保持为零。

一、

仪器介绍

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实验装置图

1、探棒

探棒是安装超导样品和温度计供插入低温杜瓦瓶实现变温的实验装置。控制探棒插入液氮中的深度，可以改变样品架的温度变化速度。超导样品为常规的四引线接头方式，其电流、电压引线分别连接到样品架的相应接头上。样品架的温度由铂电阻温度计测定。

探棒样品室内部结构示意图

2、前级放大部分

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                         高温超导

                                 学号：                 姓名：     

实验日期：               指导教师：             

【摘要】本实验主要研究了高温超导体的零电阻现象及迈斯纳效应。测量了高温超导体的超导转变曲线，得到其起始转变温度为99.82K，临界温度为92.99K，零电阻温度为91.76K，转变宽度为3.78K。对比了铂金属电阻与硅二极管电阻与温度的关系并测量了温差电偶电动势与温度的关系。通过研究超导体在场冷和零场冷的情况下的磁悬浮力情况，对第Ⅱ类超导体特性进行进一步分析和理解。

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