實驗分析報告—高溫超導

1、實驗報告一高溫超導作者: 日期:#姓 名：王航同組姓名：孫鼎成實驗報告班 級：F0703028 學 號：5070309025 實驗成績: 實驗日期：2008.10.20 指導教師：助教35 批閱日期：高溫超導材料特性測量實驗目的:了解高。臨界溫度超導材料的基本電特性和測量方法。 了解低溫下半導體PN結的伏安特性與溫度的關系。 了解低溫實驗的測量方法。實驗原理:1 高溫超導在低溫測量時，為了減少漏熱，樣品的測量引線又細又長， 引線的電阻與樣品的電 阻相比不可忽略， 對超導樣品來說，弓I線的電阻要大很多。 為了減小引線電阻和接觸電 阻對測量帶來的影響，通常采用四線測量法。四線測量法的方法如圖 1所

2、示，外兩根導線為電流端， 可以流過較大的測量電 流，一般采用恒流源共電。 電流的大小可用標準電阻的電壓算出。 內兩根導線為電壓端, 弓I線中流過的電流極小，這樣就可以避免引線電阻和接觸電阻帶來的測量誤差。恒流源I-V1+I-V1i+1 N標準電阻樣品實際上， 我 我們 而測在直流低電壓測量中，如何判斷和修正亂真電勢帶來的影響是十分重要的。由于材料的不均勻性和溫差，就有溫差電勢的存在。通常稱為亂真電勢或寄生電勢。 們只要用一段短的導線把數(shù)字電壓表短接，用手靠近其中一個接線端來改變溫度，就會看到數(shù)字電壓表讀數(shù)的變化。在低溫實驗中，待測樣品和傳感器處在低溫中，量儀表處在室溫中，因此它們的連接線處在溫

3、差很大的環(huán)境里，并且沿導線的溫度分布還會隨著低溫液體液面的降低、低溫容器的移動等變化而變化。所以在涉及直流低電壓 測量的實驗中，判定和消除亂真電勢的影響是實驗中一個十分重要的步驟。2 高溫超導材料電性轉變溫度并不是只由溫度決定， 只有保持在外磁場、流經電流和應力等值足夠低時， 超導樣品的轉變溫度被稱為超導臨界轉變溫度?由于一般上述條件不能完全滿足（比3如地磁場），而且超導轉變往往有一個區(qū)域，因此引入起始轉變溫度?零零電阻溫度?，和中點轉變溫度？?來表示，一般所說的轉變溫度？旨的是？?.7?+ 2)?+ ?-）?0即V將隨著T的升高而減小，在流過電流不變的情況下，近似一條直線.圖4給出了 PN結

4、在不同電流下兩端電壓與溫度的關系，從圖中可看出：當電流不同時，曲線 的斜率也不同，若外延到 ? = 0 ?,它們相交與一點，對應的電壓就是Vg.由圖可知，二極管PN結能在很寬的范圍內測量溫度，但由于制造工藝關系，其一致性不是很好， 斜率不能唯一確定.高溫超導體樣品超導特性的測量采用如圖1所示的四端接法，外兩根導線為電流端，連接恒流電源.內兩根導線為電壓端，連接內阻非常高的電壓表.這樣可以避免引線電阻和接觸電阻帶來的測量誤差.3 ?結伏安特性與溫度的關系在半導體理論中可導出 ？?結的電壓？1和電流密度？關系3+ ?（?-?= ? 2 ? 其中常數(shù)？- 1, ?是比例因子，? ?, ?是禁帶寬度，

5、?稱能隙電壓。 對上式兩邊取對數(shù)，整理后得到? ?(3?= ?）-?？在正常情況下，？ 觀，可見?詁? - （3 +它反映了物質的內部屬性，是研 在金屬中，電子的定向運動受到4 金屬電阻不同的材料，電阻率隨溫度的變化有很大的差別， 究物質性質的基本方法之一。當溫度高于絕對溫度時,晶格的散射而呈現(xiàn)出電阻。研究表明，當（ T / ） 0.5時，金屬的電阻正比于溫度T,其中是德拜溫度。?=一上述結論是對純金屬而言，而實際上金屬存在雜質、缺陷、位錯等，它們會對金屬 造成附加電阻，這部分電阻近似地與溫度無關。在金屬的純度很高時， 金屬的總電阻率可表示為?= ?+ ?在液氮溫度以上時，？?？ ?，因此有？

6、? ?。例如，鉑的德拜溫度為 225 K, 在63 K到室溫的范圍內，其電阻近似地正比于溫度 T。但精密的測量會發(fā)現(xiàn)它們偏離線 性關系。在液氮正常沸點溫度到室溫的范圍內，鉑電阻溫度計具有良好的線性電阻溫度關 系，可表示為? = ? ?式中A, B是不隨溫度變化的常數(shù)。13.81 K。鉑的性能穩(wěn)定，電阻的溫度系數(shù)較高，不易氧化，線性好，復現(xiàn)性好，常被用作溫 度的精密測量，其測量范圍的低溫端可達在這里，我們用鉑電阻作為測量溫度的指示。數(shù)據(jù)處理:實驗中，并沒有按照我們預想的做高溫超導材料的實驗，而是只做了PN結與溫度關系實驗。實驗采用四端接線法，比較簡單。老師向杜瓦瓶中倒入液氮，我們小組連接好電路，

7、 等到PN結和鉑電阻兩端的電壓穩(wěn)定后開始測量數(shù)據(jù)。I = 500 iiAI = 100 jiAP T(mV)PN(V)1P T(mV)P N(V)21.01.03321.01.01428.01.00227.90.97935.00.95835.10.93141.00.937141.00.90445.00.91845.00.88250.00.89349.80.85456.00.86255.90.81963.80.82163.90.77369.70.79069.80.73976.10.75376.70.69183.70.71583.80.65293.00.66493.00.595100.00.625

8、100.10.552I = 50 HI = 10 HP T(mV)P N(V)P T(mV)P N(V)21.01.00521.00.98427.40.97127.40.94535.20.91835.10.89841.40.89041.30.85745.20.86645.20.82850.00.83750.10.79656.10.80056.20.75564.00.75264.00.70169.70.71669.70.66276.70.67276.80.61383.80.62683.80.56293.10.56793.10.500100.30.521100.30.451I = 5 iiAP T

9、(mV)P N(V)21.00.97527.40.93335.10.88041.30.84045.30.81150.10.77856.20.73564.00.67869.70.63876.80.58783.80.53593.10.472100.30.419為了得到與PT電壓相對的溫度，我們參照了實驗附表的 試驗范圍內的數(shù)據(jù)點，得到表格如下。PtIOO的分度表。從中我們選取了t/cP T/mVt/ cP T/mV18.49-20068.33-8022.80-19072.33-7027.08-18076.33-6031.32-17080.31-5035.53-16084.27-4039.71-15

10、088.22-3043.87-14092.16-2048.00-13096.06-1052.11-120100.00056.19-110103.901060.25-100107.792064.30-90111.6730將這些數(shù)據(jù)導入 Origin之后進行擬合，得到圖線如下。13SOn0-50-M -100-150-200-BI即L報存給果館電肌Pt WO介性罔 作苻：Ml5070309025ill IM ieii*J:2008.110.25 Y = A+ B*X ParameterValueErrorA-247.92880.54023B2473270.00755 RSDNP0,9999 1.0

11、346 240.000120406080100120P T/mV從中看出，表中所給出的數(shù)據(jù)十分符合線性關系，因此我在這里采用了線性擬合，得到鉑電阻的電壓-溫度方程為 T = -247.9288+ 2.47327 *Vpt+273.16。因此，將試驗中測出的 嶺t帶入方程，得到下表：I = 500 iiAI = 100 jiAP T(mV)T(K)P N(V)P T(mV)T(K)P N(V)21.077.171.03321.077.171.01428.094.481.00227.994.240.97935.0111.800.95835.1112.040.93141.0126.640.93741

12、.0126.640.90445.0136.530.91845.0136.530.88250.0148.890.89349.8148.400.85456.0163.730.86255.9163.490.81963.8183.030.82163.9183.270.77369.7197.620.79069.8197.870.73976.1213.450.75376.7214.930.69183.7232.240.71583.8232.490.65293.0255.250.66493.0255.250.595100.0272.560.625100.1272.81 10.552I = 50 iiAI =

13、 10 pAP T(mV)T(K)P N(V)P T(mV)T(K)P N(V)21.077.171.00521.077.170.98427.493.000.97127.493.000.94535.2112.290.91835.1112.040.89841.4127.620.89041.3127.380.85745.2137.020.86645.2137.020.82850.0148.890.83750.1149.140.79656.1163.980.80056.2164.230.75564.0183.520.75264.0183.520.70169.7197.620.71669.7197.6

14、20.66276.7214.930.67276.8215.180.61383.8232.490.62683.8232.490.56293.1255.490.56793.1255.490.500100.3273.300.521100.3273.300.451I = 5 pAP T(mV)T(K)P N(V)21.077.170.97527.493.000.93335.1112.040.88041.3127.380.84045.3137.270.81150.1149.140.77856.2164.230.73564.0183.520.67869.7197.620.63876.8215.180.58

15、783.8232.490.53593.1255.490.472100.3273.300.419用Origin做出不同溫度下的 TVpn圖像，如下圖所示:1.1 -09 =o.e-1 :-I *1 I： 1 *I=500i|jA l=100pA I=5O|JA 1=1 Op A I=51jA07 Jo.e不同電渝卜FN給淵建-電壓Ml線圖 作T航0.55070309025作圖吋 rnJ:2O08JO2504 -50100150200250300T/K所得相關數(shù)據(jù)為:I=500 卩 AY = A + B * XP arameterValueErrorA 1.19936 0.00367B -0.00

16、209 2.03565E-5R SD N P-0.99948 0.00435 13 0.00011=100 卩 AY = A + B * XP arameter Value ErrorA1.202170.00345B-0.002371.91057E-5RSD NP-0.99964 0.00409 13 0.00011=50 卩 AY = A + B * XP arameterValueErrorA 1.201850.00344B -0.002471.90659E-5R SD NP-0.99967 0.00409 130.00011=10 卩 AY = A + B * XP arameterVa

17、lueErrorA 1.202810.0027B -0.002741.49263E-5R SD NP-0.99984 0.00321130.0001I=5AY = A + B * XP arameterValueErrorA 1.199840.0022B -0.002851.21654E-5R SD NP-0.99990.0026113 X ? + ?+ ?+ ?+ ?+ ?3? ?三線制接法中，?= ?3?, ? = ?，所以有?*?X ? + ?+ ?+ ?+ 2?而二線制接法中，?1?工？?，所以?- ?+ ?(?- ?1?)?=X ? + ?+ ?+ ?+ ?+ ?由以上兩式得，三線制

18、接法比二線制接法引入的誤差小。4.四線制接法誤差分析:如圖3四線制接法，因為電壓表內阻很大，則? ?因為?= ?+ ?(?+ 翎所以? ?- ?(?2?+ ?3) ?=閤？?-?由此可見，弓I線電阻將不引入測量誤差.Iv?Imrlr2l3UmRk四線制電阻測量電路思考題:1.在測量時，如何判斷銅塊已處在恒溫狀態(tài)？答：當待測樣品兩端的電壓在很長一段時間內不發(fā)生變化的時候，我們認為已經打到了 恒溫狀態(tài)。我們通常所描述的二極管PN結都是理想二極管,PN的性能并不理想，其一致性不是很好，因此不同方2、降溫和升溫時測試的曲線可能不重合，是什么原因? 答：兩個原因：一、測量誤差。二、 而實際上由于工藝關系

19、，二極管 式測量時斜率有可能不同。附件需要結合實驗報告后面的表格進行插值計算。這個C+代碼如下：在利用Pt兩端的電壓計算溫度的時候, 計算比較麻煩，因此我采用程序計算。#in cludeusing n ames pace std;double pt30=18.49,22.80,27.08,31.32,35.53,39.71,43.87,48.00,52.11,56.19,60.25,64.30,68.33,72.33,76.33,80.31,84.27,88.22,92.16,96.06,100.00,103.90,107.79,111.67;double t30;int main (i nt

20、 argc, char* argv)for (int i = 0; i 30; i+) 圳=73.15+10*i;double a,b;cout PI ease input the nu mbera;while (a0)int i;for ( i = 0; i 24; i+)if (pti a) b=(a-pti)/(p ti+1-pti)*10+ti;coutb a;return 0;高溫超導體簡介1911年，卡末林-昂內斯用液氦測量水銀電阻時發(fā)現(xiàn)，當溫度降到稍低于液氦的正 常沸點時，水銀的電阻突然降到零，這就是零電阻現(xiàn)象，或稱超導現(xiàn)象。我們把具有這 種特性的物體稱為超導體，把電阻突然降為零

21、時的溫度稱為超導轉變溫度。如果把電流、磁場、壓力等參數(shù)維持在很小的值，在這一條件下的轉變溫度稱為超導臨界轉變溫度， 用Tc表示。超導體的轉變過程是在T?nset，電阻溫度T，和Tc指的就是TCm Tm是Tnset由于材料的化學成分不純及晶體結構不完整等因素的影響， 一定的溫度間隔中完成的。在實際測量中引入起始轉變溫度 中點溫度Tm來描寫超導體的特性。通常所說的超導轉變溫度 電阻的1/2時對應的溫度。現(xiàn)在數(shù)字電壓表的靈敏度可以做的很高，用伏安法直接測量電阻轉變已成為實驗中常用的方法。1986年4月，繆勒和在超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后。人們一直為提高超導臨界溫度而努力，貝德羅茲宣布一種鋇鑭銅氧化物的超導體的轉

22、變溫度可能高于30 K,從此在全世界掀起134K。了關于高溫超導體研究的熱潮。到1993年3月，超導臨界溫度已達到了低溫物理實驗的特點使用低溫液體（如液氮、液氦等）作為冷源時，必須了解其基本性質，注意安全。例如， 液氮的正常沸點是 77.4K,三相點溫度為63K;液氦的正常沸點是 4.2K,常壓下不固化。 又如，液氮的汽化潛熱很大，液氦的汽化潛熱很小，但冷氦氣的顯熱卻很大。再如，使 用低溫液體，切不可濺到皮膚上，應防止凍傷；氮氣是窒息性氣體，應防止大量氮氣要求 的溫度范圍內，常使用鉑 與實驗室用的小型鉑 而且結構也要復雜得多。淤積在工作室內。進行低溫物理實驗時，離不開溫度的測量。對于各個溫區(qū)和各種不同的實驗條件， 使用不同類型和不同規(guī)格的溫度計。例如，在13. 8-630.7?電阻溫度計。然而，用作國際溫標內插儀器的標準鉑電阻溫度計， 電阻溫度計和工業(yè)用的鉑電阻溫度計相比，不僅體積要大得多，又如，與具有正的電阻溫度系數(shù)的鉑電阻溫度