超導(dǎo)物理基礎(chǔ)

1、超導(dǎo)物理基礎(chǔ)超導(dǎo)物理基礎(chǔ)高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)陳銘南超導(dǎo)特性發(fā)現(xiàn)于超導(dǎo)特性發(fā)現(xiàn)于1911年：年：4.2Kl臨界溫度提高很慢：75年后達(dá)23.2K.1988年：110K（2年：100度）1989年中國(guó)科技大學(xué)劉宏寶研制的超導(dǎo)材料達(dá)130K1993年3月北大郭建棟教授，制備成功了134K樣品目前超導(dǎo)體的臨界溫度約150K超導(dǎo)基本特性：超導(dǎo)基本特性：l從材料區(qū)分：低溫超導(dǎo)材料（液氦溫區(qū)）：金屬。高溫超導(dǎo)（液氮溫區(qū)）：高溫氧化物超導(dǎo)體。l超導(dǎo)基本特性：l1.零電阻特性超導(dǎo)體零電阻觀察與測(cè)量：（1）一超導(dǎo)環(huán)置一磁場(chǎng)中，然后冷卻使之轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)態(tài)，快速撤去磁場(chǎng)。產(chǎn)生感應(yīng)電流。零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象l2.使樣品通一恒定電

2、流，測(cè)量其阻值隨溫度變化。測(cè)阻（難）與測(cè)溫。.1025. 075. 0.,.,:/),/exp()0(萬(wàn)年超導(dǎo)環(huán)衰減時(shí)間大于推出衰減時(shí)間變化量超導(dǎo)電流形成的磁場(chǎng)可通過(guò)核磁共振方法測(cè)正常金屬很小是電流衰減時(shí)間常數(shù)）ZrNbRLtItI定義：通常把外部條件(磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力等）維持在足夠低值時(shí)電阻突然變?yōu)榱愕臏囟确Q為超導(dǎo)臨界溫度TC。液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體特性液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體特性1.零電阻率（現(xiàn)象）：相變:電阻、磁化率、熱電勢(shì)、比熱容、熱導(dǎo)率等都有明顯的變化。 臨界溫度Tc以下電阻為零。 由正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)過(guò)度稱轉(zhuǎn)變寬度：Tc. Tc：取決于材料的純度和晶格的完整性。 理想樣品的Tc K310完全抗磁

3、性：邁斯納（完全抗磁性：邁斯納（Meissner)效應(yīng)效應(yīng)l問(wèn)題：先降溫？先加磁場(chǎng)？l理想導(dǎo)體：在磁場(chǎng)下降溫，磁通不變。l超導(dǎo)體：與過(guò)程無(wú)關(guān)。l僅僅沒有電阻的假想金屬稱做理想導(dǎo)體。l超導(dǎo)體置于外加磁場(chǎng)時(shí)，磁通不能穿透。l超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度始終為零（B=0）邁斯納（邁斯納（Meissner)效應(yīng)效應(yīng):l完全抗磁性是獨(dú)立于零電阻特性的基本屬性。l零電阻特性是邁斯納（Meissner)效應(yīng)的必要條件。l磁懸浮實(shí)驗(yàn)演示：l難以給出定量結(jié)果。l抗磁性：需測(cè)量樣品的磁化率隨溫度的關(guān)系。超導(dǎo)物理理論基礎(chǔ)超導(dǎo)物理理論基礎(chǔ):l二流體模型和倫敦方程:自由電子氣部分“凝聚”:粗糙lBCS理論:電子庫(kù)柏對(duì).不能解釋3

4、0K以上超導(dǎo)現(xiàn)現(xiàn)象.(金屬30K為禁區(qū)).二流體模型二流體模型:(低溫超導(dǎo)低溫超導(dǎo))l二流體模型和倫敦方程:l自由電子氣：相變。l速度“凝聚”l電子比熱容比：正常態(tài)（線性），超導(dǎo)態(tài)：指數(shù)變化。l倫敦第一方程：零電阻l倫敦第二方程：邁斯納效應(yīng)BCS理論理論:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)l理論高深的量子力學(xué)和許多數(shù)學(xué)知識(shí)。l兩個(gè)電子電子庫(kù)柏對(duì)超導(dǎo)電流。l晶格振動(dòng)的熱運(yùn)動(dòng)拆散庫(kù)柏對(duì)l不能解釋30K以上超導(dǎo)現(xiàn)現(xiàn)象.(金屬：30K為禁區(qū)).國(guó)際制冷學(xué)會(huì)（國(guó)際制冷學(xué)會(huì)（IIR）1971年：年：l對(duì)0以下稱為低溫，溫區(qū)進(jìn)行劃分（向全世界建議）：l T120K 為冷凍溫區(qū)l120KT

5、0.3K 為低溫溫區(qū)l T120K） l1.基于相變?cè)淼闹评?R12:-30,R14:-128.電冰箱,空調(diào)等.l2.電制冷:利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng),可以取得制冷效果.醫(yī)學(xué),生物學(xué):降溫帽,白內(nèi)障摘除器等.二二.低溫溫區(qū)的主要制冷手段低溫溫區(qū)的主要制冷手段:（ 120KT0.3K ）l1.等焓節(jié)流:80K左右.l2.等熵膨脹-等焓節(jié)流:20K:液態(tài)氫,4.2K的液態(tài)氦.l3.對(duì)低溫液體抽氣降溫.例如:液氦:0.8K,0.3K.三三.超低溫溫區(qū)的獲得超低溫溫區(qū)的獲得:（ T0.3K ）l1.磁制冷:0.001K核自旋去磁:510-8K.l2.帕末朗丘克制冷(Pomeran-Chuk):0.

6、001Kl3.3He-4He稀釋制冷.幾種常用的溫度計(jì)幾種常用的溫度計(jì)l 溫 度 計(jì) 測(cè)溫屬性l定容氣體溫度計(jì) 壓強(qiáng)l定壓氣體溫度計(jì) 體積l鉑電阻半導(dǎo)體溫度計(jì) 電阻l熱電偶溫度計(jì) 熱電動(dòng)勢(shì)l液體溫度計(jì) 液柱長(zhǎng)度液體溫度計(jì)測(cè)溫范圍液體溫度計(jì)測(cè)溫范圍l液體 溫度測(cè)量范圍l水銀 -30+300l酒精 -80 80l甲苯 -80+110l乙醇 -80+80l煤油 0+300l石油醚 -120+20鉑電阻、半導(dǎo)體、熱電偶溫度計(jì)鉑電阻、半導(dǎo)體、熱電偶溫度計(jì)l鉑電阻：在63K到室溫具有線性關(guān)系，電阻正比于溫度。不嚴(yán)格逞線性。（查公式與表）l半導(dǎo)體：有正、負(fù)兩種溫度系數(shù)。大部分溫區(qū)中，具有負(fù)的溫度系數(shù)（與金屬

7、不同）。溫度越高電阻越低。l不同材料半導(dǎo)體：硅、鍺、碳、滲碳玻璃電阻、熱敏電阻等。溫-阻關(guān)系不同，不同溫區(qū)不同。l塞貝克效應(yīng)：由兩種不同金屬連接，兩接點(diǎn)在不同溫度下(參考點(diǎn))，形成熱電偶電動(dòng)勢(shì)。高溫氧化物超導(dǎo)體特性高溫氧化物超導(dǎo)體特性l1.高溫超導(dǎo)材料正常態(tài)電阻率在很大溫度范圍內(nèi)逞線性關(guān)系.l2.霍爾系數(shù) 隨溫度的上升而單調(diào)下降.l3.超導(dǎo)能隙的各向異性l4.電子-電子關(guān)聯(lián)性:可能是高溫超導(dǎo)的主要支配原因neHR1高溫超導(dǎo)材料的研制高溫超導(dǎo)材料的研制l1.機(jī)械熱加工法.l2.混合法.l3.照射法:放射性照射,改善超導(dǎo)特性l4.蒸氣淀積法l5.脈沖準(zhǔn)分子激光法液氮特性：液氮特性：l液氮:沸點(diǎn)77

8、.36K、進(jìn)出注意事項(xiàng)、樣品與液氮。l液氮不能完全密封：漏熱升溫升壓l防止凍傷.l運(yùn)輸與安放.高溫超導(dǎo)儀：高溫超導(dǎo)儀：l低溫恒溫器（樣品室）：l樣品研制：高溫?zé)Y(jié)與碾磨、樣品安裝：四端接法：金屬銦壓接。l樣品溫度。測(cè)溫與控溫：測(cè)溫與控溫：l鉑電阻溫度計(jì)、硅二極管溫度計(jì)測(cè)溫:l銅-康銅溫差電偶：需有一參考端，伸入液氮浸沒。實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)：一個(gè)為液面計(jì)；另一個(gè)為溫度計(jì)。l25歐姆錳銅加熱器線圈的紫銅恒溫塊:導(dǎo)熱性能好.鉑電阻和硅二極管測(cè)量：鉑電阻和硅二極管測(cè)量：l單一恒流源。四端接法、標(biāo)準(zhǔn)電阻。測(cè)電壓. 鉑：標(biāo)準(zhǔn)電阻100歐姆，恒流1mA,內(nèi)置10uv,4 數(shù)字表(已經(jīng)標(biāo)定:公式l硅二極管：標(biāo)準(zhǔn)電阻

9、10K歐姆，恒流100uA，內(nèi)置100uv,4 數(shù)字表。l測(cè)量確定紫銅恒溫塊的溫度。四引線法測(cè)量超導(dǎo)樣品電阻四引線法測(cè)量超導(dǎo)樣品電阻l恒流源: l樣品電壓：標(biāo)準(zhǔn)電阻：l為消除亂真電動(dòng)勢(shì),設(shè)立電流反向開關(guān).l外接靈敏度為1uv的51/2直流數(shù)字電壓表：測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻和樣品上的電壓.,/nRnUxUxRnRnUI溫差熱電偶溫差熱電偶l定點(diǎn)液面計(jì)-溫差熱電偶l實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)：一個(gè)為液面計(jì)；另一個(gè)為溫度計(jì)。l參考點(diǎn)：同在液氮中，作液面計(jì)的另一端在紫銅恒溫塊與下檔板中間。作溫度計(jì)的另一端在紫銅恒溫塊上。電控制儀：電控制儀：l19芯連接電纜。l恒流、四端接法、標(biāo)準(zhǔn)電阻、鉑電阻、半導(dǎo)體二極管（硅管）、熱電偶、測(cè)

10、溫與控溫（加熱器）、四位半數(shù)字表。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容l測(cè)量室溫.-鉑與硅二極管.l安裝低溫恒溫器:液氮倒入:多少?怎樣倒?以下檔板剛好接觸液面計(jì)為準(zhǔn).l使樣品下降至液面計(jì)指示為零:熱電偶無(wú)溫差.:高度.l測(cè)量溫度與樣品電勢(shì).:降溫速率控制.開始:可約每5分鐘測(cè)量一次,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)可約每0.5分鐘測(cè)一次.l樣品電阻為零時(shí),正反向應(yīng)一致.確定起始與作業(yè)作業(yè):l 1.金屬低溫超導(dǎo)理論中,最基本的出發(fā)點(diǎn)是什么?試用BCS理論及二流體模型解釋超導(dǎo)電性.l2.超導(dǎo)磁懸浮是什么效應(yīng)的直接結(jié)果?試描述上海磁懸浮列車工作原理.l3.超導(dǎo)樣品的國(guó)際與國(guó)內(nèi)研制近況如何？超導(dǎo)應(yīng)用超導(dǎo)應(yīng)用:l一.強(qiáng)電磁方面的應(yīng)用l(1)磁

11、懸浮列車(2)磁流體發(fā)電(3)超導(dǎo)磁分離技術(shù)l二.弱電磁方面的應(yīng)用l(1)超導(dǎo)磁梯度計(jì)對(duì)人腦功能的研究(2)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)(3)超導(dǎo)重力儀測(cè)量注意事項(xiàng)測(cè)量注意事項(xiàng):l所有測(cè)量必須在同一次降溫過(guò)程中完成.l恒流源不可開路,穩(wěn)壓電源不可短路.l在總電源打開前:各分電源均應(yīng)處在斷開狀態(tài).加熱器的電壓應(yīng)處于零.l實(shí)驗(yàn)結(jié)束,樣品拉桿移出低溫容器,液氮需回收.結(jié)束！超導(dǎo)體臨界溫度測(cè)試超導(dǎo)體臨界溫度測(cè)試l1911年荷蘭物理學(xué)家卡麥林翁納斯發(fā)現(xiàn)：l水銀稍低于4.2K時(shí),其電阻急劇地下降到0.l超導(dǎo)電性的兩個(gè)最基本特征:l1.以零電阻為特征的金屬態(tài)命名:超導(dǎo)態(tài).l2.磁通密度為0,完全抗磁性(Meissner效應(yīng))

12、常用低溫溫度計(jì)常用低溫溫度計(jì):l1.實(shí)用溫度計(jì): 鉑,半導(dǎo)體,P-N二極管,熱電偶等.l2.熱力學(xué)溫度計(jì):定容氣體溫度計(jì).l3.半熱力學(xué)溫度計(jì):蒸汽壓溫度計(jì).l例:1.鉑,半導(dǎo)體、熱電偶溫度計(jì)l 2.西蒙氣體溫度計(jì)l 3.蒸汽壓溫度計(jì)PTVTVVTVVpVpVppVVTTPTTPTPPaPPaPaTTnRTVPTVPTPVTPV11,)()(1)(1)()1 (0000000000000000令常數(shù)熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)l湯姆孫效應(yīng)：同一種金屬，兩端有溫度差，電子云在溫度不均勻時(shí)的熱擴(kuò)散形成電動(dòng)勢(shì)。外加電流，可有吸熱與放熱l珀耳帖效應(yīng)：兩種不同金屬接觸面處，由不同金屬的自由電子的數(shù)密度不同形成電動(dòng)勢(shì)。l塞貝克效應(yīng)：由兩種不同金屬連接，兩接點(diǎn)在不同溫度