基礎(chǔ)物理實驗-高溫超導(dǎo)材料特性測試和低溫溫度計ppt課件

1、 實驗及應(yīng)用背景介紹 實驗?zāi)康暮徒虒W(xué)要求 實驗原理 實驗儀器和裝置 實驗內(nèi)容 本卷須知 課堂思考 選做實驗高溫超導(dǎo)材料特性測試和低溫溫度計 一一. 實驗及應(yīng)用背景介紹實驗及應(yīng)用背景介紹1. 1. 背景介紹背景介紹 超導(dǎo)電現(xiàn)象在足夠低的溫度下，某些物質(zhì)的電阻 突然變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。 超導(dǎo)電現(xiàn)象是荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué) 家卡麥林昂內(nèi)斯Heike Kamerlingh Onnes,18531926和他的同事們于 1911年在液氦環(huán)境中（4.2 K測 量水銀的電阻時發(fā)現(xiàn)的。為了表彰他 的這項發(fā)現(xiàn)以及他對低溫下物質(zhì)的研 究，他被授予1913年諾貝爾物理學(xué)獎。 超導(dǎo)電性某些物質(zhì)在低溫條件下具有電阻為零和排斥 磁

2、力線的性質(zhì)。至今已發(fā)現(xiàn)有28種元素、幾 千種合金和化合物具有超導(dǎo)電性。超 導(dǎo) 體具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體 同時具有零電阻和完全抗磁性這兩個獨特 的性質(zhì)。對于超導(dǎo)體，存在一個超導(dǎo)轉(zhuǎn)變 溫度又稱為臨界溫度Tc 。 高溫超導(dǎo)在較高溫度下具有超導(dǎo)電性的某些物質(zhì)叫高 溫超導(dǎo)。（這里所指的較高溫度是與1986年 前的臨界溫度23.2 K相比的）。 2. 高溫超導(dǎo)的發(fā)展歷史高溫超導(dǎo)的發(fā)展歷史1986年1月日本東京大學(xué)工學(xué)部將Tc提高到37 K。 1986年12月中科院物理所趙忠賢等人將Tc提高到 48.6 K。 1987年1月日本川崎國立分子研究所將Tc提高到43 K； 不久日本綜合電子研究所將

3、Tc提高到46 K 和53 K。1987年2月美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武將Tc提高到90 K。 1987年3月中國北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸 浮實驗。 1988年10月中國科技大學(xué)超導(dǎo)中心將Tc提高到130 K 和164 K。 1989年2月中國科技大學(xué)再現(xiàn)130 K的零電阻溫度。 1991年3月日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一 個超導(dǎo)磁體。 2000年12月世界上首輛高溫超導(dǎo)磁懸浮實驗車在西南 交大研制成功。 2019年3月我國清華大學(xué)研制的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)在中 國聯(lián)通CDMA移動通信基站上現(xiàn)場試驗成功。 3 3應(yīng)應(yīng) 用用 基本分類：大電流應(yīng)用強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用弱電 運用和抗磁性應(yīng)用

4、。大電流應(yīng)用超導(dǎo)發(fā)電、超導(dǎo)輸電和儲能，如超導(dǎo)電動 機(jī)、高溫超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)儲能裝置等。 電子學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)計算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)濾波器等。 抗磁性應(yīng)用超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁懸浮、熱核聚變反應(yīng) 堆等。 二實驗?zāi)康暮徒虒W(xué)要求二實驗?zāi)康暮徒虒W(xué)要求1了解高臨界溫度超導(dǎo)材料的基本特性及其測試方法。2學(xué)習(xí)三種低溫溫度計的工作原理和使用以及進(jìn)行比 對的方法。3了解液氮的使用和低溫溫度控制的一些簡單方法。 三實驗原理三實驗原理1. 1. 高臨界溫度超導(dǎo)電性高臨界溫度超導(dǎo)電性 Tc臨界溫度Bc臨界磁場jc臨界電流密度常引進(jìn)Tc,onset、Tc0和Tcm三個物理量，一般超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc是指Tcm。超導(dǎo)體的電阻溫度轉(zhuǎn)變曲線見

5、圖1。TRTc0TcmTc,onsetRn(T)Rn(T)122.2.邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)無論在有或沒有外加磁場的情況下，使樣品從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，只要TRr，故有RRi (T)。10T/K10520304050607080901020304050RR/0dRdTD/3鉑 R(0)=50dRdT10-4/K)圖2 鉑的電阻溫度關(guān)系在液氮正常沸點到室溫范圍內(nèi)，鉑電阻溫度計具有良好的線性電阻-溫度關(guān)系，可表示為 R (T)= AT+B 或 T(R)= aR+b其中A、B和a、b是常量知）。鉑的電阻溫度關(guān)系見圖2。(2) 半導(dǎo)體電阻以及pn結(jié)的正向電壓隨溫度的變化見圖3和圖4。 lnTlnRIII

6、 III IV圖3 半導(dǎo)體的電阻溫度關(guān)系100正向電壓/V200300400012T/K硅砷化鎵圖4 二極管的正向電壓溫度關(guān)系由圖3可知，在大部分溫區(qū)中，半導(dǎo)體具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。在恒定電流下，硅和砷化鎵二極管pn結(jié)的正向電壓隨著溫度的降低而升高，見圖4。 (3) 溫差電偶溫度計當(dāng)兩種金屬導(dǎo)線聯(lián)成回路，并使兩個接觸點維持在不同的溫度時，該回路中就存在溫差電動勢。若將其中一個接觸點固定在一個已知的溫度，如液氮的沸點77.4 K，則可由測得的溫差電動勢確定回路的另一接觸點的溫度。 四實驗儀器和裝置 1. 1. 儀器用具儀器用具 低溫恒溫器、不銹鋼杜瓦容器和支架、PZ158型直流數(shù)字電壓表、BW2

7、型高溫超導(dǎo)材料特性測試裝置即電源盒） 以及一根兩頭帶有19芯插頭的連接電纜和若干根兩頭帶有香蕉插頭的連接導(dǎo)線。低溫恒溫器和杜瓦容器的結(jié)構(gòu)見圖5。引線插座引線拉桿拉桿固定螺母拉桿固定螺栓有機(jī)玻璃蓋不銹鋼杜瓦容器上擋板紫銅圓筒上蓋錳銅加熱器線圈紫銅圓筒紫銅恒溫塊超導(dǎo)樣品可調(diào)式定點液面計下?lián)醢鍦夭铍娕己鸵好嬗?參考點)液氮圖5 低溫恒溫器和杜瓦容器 的結(jié)構(gòu) 2 2實驗裝置和電測量線路實驗裝置和電測量線路 本實驗的測量線路見圖6。主要由鉑電阻、硅二極管和超導(dǎo)樣品等測量電路構(gòu)成。鉑電阻溫度計( Pt)標(biāo)準(zhǔn)電阻恒流源(1mA)直流數(shù)字電壓表(10V)+ -轉(zhuǎn)換開關(guān)Pt電壓Pt電流100硅二極管溫度計( S

8、iD)標(biāo)準(zhǔn)電阻恒流源(100A)直流數(shù)字電壓表(100V)+ -轉(zhuǎn)換開關(guān)SiD電壓SiD電流10k超導(dǎo)樣品標(biāo)準(zhǔn)電阻恒流源(-100mA)直流數(shù)字電壓表PZ158(1V)+ -轉(zhuǎn)換開關(guān)樣品電壓溫差電偶10樣品電流V25加熱器直流穩(wěn)壓電源(0-5V)圖6 實驗電路圖 四引線測量法 電阻測量的原理性電路見圖7。 V-V+UxI-I+樣品RnV-V+UnI-I+標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn恒流源圖7 四引線法測量電阻 I =Un /Rn Rx=Ux /I =UxRn /Un 鉑電阻和硅二極管測量電路兩個電路中電流都是單一的恒流源：1 mA和100 mA。實際測量中，通過微調(diào)可分別在100 W 和10 kW的標(biāo)準(zhǔn)電阻上

9、得到100.00 mV和1.0000 V。 超導(dǎo)樣品測量電路本電路有六檔恒流源：100 mA 、1 mA、5 mA、10 mA、50 mA、100 mA。本實驗采用5 mA檔即可。 亂真電動勢及零電阻的判斷當(dāng)樣品電壓接近于零時，利用電流反向開關(guān)進(jìn)一步判定超導(dǎo)體的電阻確已為零。 溫差電偶及定點液面計的測量電路利用轉(zhuǎn)換開關(guān)和PZ158型直流數(shù)字電壓表，可監(jiān)測溫差電偶的電動勢以及液面計的指示。 電加熱器電路 由內(nèi)置直流穩(wěn)壓電源和指針式電壓表構(gòu)成。電壓可調(diào)范圍為05 V。 五實驗內(nèi)容五實驗內(nèi)容1.1.電路的連接電路的連接 按面板上虛線連接導(dǎo)線，并將PZ158型直流數(shù)字電壓表與面板上的“外接PZ158相

10、連。2.2.室溫檢測室溫檢測 打開外接電壓表的電源開關(guān)量程選200 mV及電源盒的總開關(guān)，并依次打開鉑電阻、硅二極管和超導(dǎo)樣品的分電源開關(guān)，調(diào)節(jié)溫度計的工作電流，測量并記錄其室溫電流電壓示值分別為100.00 mV、1.0000 mV和電壓值。3. 3. 恒溫器降溫速率的控制及低溫溫度計的比對恒溫器降溫速率的控制及低溫溫度計的比對（1 1） 恒溫器降溫速率的控制恒溫器降溫速率的控制實驗時利用液面計隨時調(diào)節(jié)恒溫器的位置，使其指示電壓剛好為“零”，即可保證液氮面在液面計位置附近。（2 2） 低溫溫度計的比對低溫溫度計的比對測量各溫度計及超導(dǎo)電阻隨溫度的變化測量點應(yīng)選取適當(dāng)），畫出其隨溫度變化的曲線

11、即可進(jìn)行溫度計的比對。4. 4. 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測量超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測量溫度接近130 KV Pt=42.5 mV ）時，每隔2.5 mV 記錄一組至V Pt= 30 mV。此后因轉(zhuǎn)變過程很快，故應(yīng)盡快記錄V Pt和V樣品，不再記錄V硅二極管和E 溫差電偶。當(dāng)V樣品小于0.005 mV時，利用電流反向開關(guān)排除亂真電動勢的干擾。最后，畫出其電阻-溫度曲線并確定Tc,onset、Tcm和Tc0 。六本卷須知六本卷須知 （1所有測量數(shù)據(jù)必須在同一次降溫過程中完成。（2恒流源不可開路，穩(wěn)壓電源不可短路。 （3為了達(dá)到標(biāo)稱的穩(wěn)定度，PZ158直流數(shù)字電壓表和電 源盒至少應(yīng)預(yù)熱10分鐘。 （4實驗開始時先開總電源開關(guān)，后開分電源開關(guān)；結(jié) 束時則先關(guān)分電源開關(guān)，后關(guān)總電源開關(guān)。電加熱 器的電壓旋鈕應(yīng)處在指零的位置上，待必要時使用。（5注意設(shè)備輕拿輕放，避免磕碰杜瓦瓶。 （6杜瓦容器內(nèi)的液氮不應(yīng)少于15 cm，且一次不要將拉 桿下移太多，以免恒溫塊墜入液氮，導(dǎo)致實驗失敗。 七七 課堂思考課堂思考1零電阻常規(guī)導(dǎo)體遵從歐姆定律，其磁性有什么特點？ 超導(dǎo)體的磁性又有什么特點？它是否是獨立于零電 阻性質(zhì)的超導(dǎo)體的基本特性？2在“四引線測量法