高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

高溫超導(dǎo)學(xué)號(hào)：姓名：實(shí)驗(yàn)日期：指導(dǎo)教師：【摘要】本實(shí)驗(yàn)主要研究了高溫超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象及邁斯納效應(yīng)。測(cè)量了高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線，得到其起始轉(zhuǎn)變溫度TC,onset為99.82K，臨界溫度TC為92.99K，零電阻溫度TC0為91.76K，轉(zhuǎn)變寬度?TC為3.78K。對(duì)比了鉑金屬關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)體零點(diǎn)阻現(xiàn)象邁斯納效應(yīng)磁通俘獲磁懸浮引言：1911年荷蘭物理學(xué)家卡墨林·翁納斯發(fā)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)體，自此以后科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)電性理論和超導(dǎo)技術(shù)以及超導(dǎo)材料進(jìn)行了大量的研究。超導(dǎo)科技發(fā)展大體分為三個(gè)階段。第一階段（1911年——1957年）是人類對(duì)超導(dǎo)電性的基本探索和認(rèn)識(shí)階段，BSC超導(dǎo)微觀理論問(wèn)世。第二階段（1958年——1985年）屬于開(kāi)展超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備階段。第三階段（1986年——）是超導(dǎo)技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，自1986年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于30K的超導(dǎo)材料后開(kāi)始。1986年6月，貝德諾和繆勒發(fā)現(xiàn)金屬氧化物Ba-La-Cu-O材料具有超導(dǎo)電性，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為35K，在13K達(dá)到零電阻。隨后世界各地的科學(xué)家們相繼取得了突破性的進(jìn)展。超導(dǎo)研究領(lǐng)域的系列最新進(jìn)展，為超導(dǎo)技術(shù)在各方面的應(yīng)用開(kāi)辟了十分廣闊的前景。超導(dǎo)電性的應(yīng)用十分廣泛。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)氧化物高溫超導(dǎo)材料特性的測(cè)量和演示，加深理解超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性；了解超導(dǎo)磁懸浮的原理；了解金屬和半導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化以及溫差電效應(yīng)；掌握低溫物理實(shí)驗(yàn)的基本方法；低溫的獲得控制和測(cè)量。實(shí)驗(yàn)原理：同時(shí)具有完全導(dǎo)電性和完全抗磁性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體，完全導(dǎo)電性和完全抗磁性是超導(dǎo)電性的兩個(gè)最基本性質(zhì)。1.零電阻現(xiàn)象：把某種金屬或合金冷卻到某一特定溫度TC以下，其直流電阻突然降到零的現(xiàn)象。其中，TC叫做超導(dǎo)體的臨界溫度，是由物質(zhì)本身的內(nèi)部性質(zhì)確定的、局域的內(nèi)秉參量。物質(zhì)的超導(dǎo)電性：低溫下發(fā)生的零電阻現(xiàn)象。超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的材料超導(dǎo)臨界溫度的定義：①理論上，當(dāng)外部條件保持為零或不影響轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量的足夠低值時(shí)，超導(dǎo)體呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的最高溫度。②實(shí)驗(yàn)中，用電阻法測(cè)量臨界溫度時(shí)通常把TC定義為待測(cè)樣品電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，也稱作超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)溫度。TC,onset:起始轉(zhuǎn)變溫度，降溫過(guò)程中電阻溫度曲線開(kāi)始從直線偏離處的溫度。TC0：完全轉(zhuǎn)變溫度（即零電阻溫度），電阻剛剛完全降到零時(shí)的溫度。?實(shí)驗(yàn)中超導(dǎo)體的電阻轉(zhuǎn)變曲線：圖一超導(dǎo)體的電阻轉(zhuǎn)變曲線圖二超導(dǎo)體的磁性2.邁斯納效應(yīng)：當(dāng)把超導(dǎo)體置于外加磁場(chǎng)中時(shí)，磁通不能穿透超導(dǎo)體，而使體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度始終保持為零。不管加磁場(chǎng)的次序如何，超導(dǎo)體內(nèi)磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零。超導(dǎo)體的磁狀態(tài)是熱力學(xué)狀態(tài)，即在給定的條件下，它的狀態(tài)是唯一確定的。臨界磁場(chǎng)（HC）：對(duì)超導(dǎo)體施加磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到某一值時(shí)，允許磁場(chǎng)穿透，超導(dǎo)電性被破壞。通常把ρ=根據(jù)兩類可區(qū)分的磁行為將超導(dǎo)體分為兩種超導(dǎo)體：①第Ⅰ類超導(dǎo)體，在TC以下，臨界磁場(chǎng)HC(T)隨溫度下降而增加。②第Ⅱ類超導(dǎo)體，分為理想第Ⅱ類超導(dǎo)體（磁化行為呈現(xiàn)完全可逆）和非理第Ⅱ類超導(dǎo)體，在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間存在過(guò)渡的中間態(tài)，有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)HC1（下臨界磁場(chǎng)）和圖三第Ⅱ類超導(dǎo)體狀態(tài)與外加磁場(chǎng)的關(guān)系臨界電流密度：當(dāng)超導(dǎo)體通以電流時(shí)，無(wú)阻的超流態(tài)要受到電流大小的控制，當(dāng)電流達(dá)到某一臨界值IC后，超導(dǎo)體恢復(fù)到正常態(tài)，IC稱為臨界電流，相應(yīng)的電流密度為臨界電流密度JC與HC是相關(guān)的，外加磁場(chǎng)越強(qiáng)，臨界電流就越小。HC依賴于溫度，隨溫度升高而減小，并在轉(zhuǎn)變溫度T臨界溫度TC、臨界電流密度JC和臨界磁場(chǎng)3.磁通俘獲：對(duì)于第Ⅱ類超導(dǎo)體當(dāng)外加磁場(chǎng)H升到高于HC1時(shí)，不存在完全的邁斯納效應(yīng)，磁通線要進(jìn)入到超導(dǎo)體中。撤掉磁場(chǎng)后，超導(dǎo)體仍保留一定的磁力效應(yīng)，殘留一個(gè)俘獲磁通。4.釘扎力和釘扎中心：非理想第Ⅱ類超導(dǎo)體中俘獲磁通是穩(wěn)定的，這個(gè)阻礙磁通線運(yùn)動(dòng)的力來(lái)自缺陷，叫做釘扎力，缺陷叫做釘扎中心。5.電阻溫度特性：根據(jù)馬德森定則，金屬中總電阻率為：ρ=ρρLT表示晶格熱振動(dòng)對(duì)電子散射引起的電阻率，與溫度有關(guān)；雜質(zhì)和缺陷可以改變金屬電阻率的數(shù)值，但不改變電阻率的溫度系數(shù)。在液氮正常沸點(diǎn)（77.4K）到室溫溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度具有良好的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)儀器：不銹鋼杜瓦容器，低溫恒溫器，BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試裝置，PZ158型直流數(shù)字電壓表，高溫超導(dǎo)磁懸浮演示裝置實(shí)驗(yàn)裝置圖：圖四低溫恒溫器和杜瓦容器結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法：（1）用四引線測(cè)量法測(cè)量電阻，減小甚至排除了引線和接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響。（2）在四引線法的基礎(chǔ)上增設(shè)了電流反向開(kāi)關(guān)，消除測(cè)量電路中固有的亂真電動(dòng)勢(shì)的影響。圖五四引線法測(cè)量電阻實(shí)驗(yàn)步驟：1.室溫測(cè)量2.液氮的灌注3.低溫溫度計(jì)的對(duì)比4.超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)量5.高溫超導(dǎo)體的磁懸浮演示6.高溫超導(dǎo)體的磁懸浮力測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1.室溫測(cè)量：鉑電阻U=107.87I=100.00Ma得到：R=107.87Ω硅二極管U=0.5113VI=100.00uA得到：R=5113Ω樣品:U=0.129mVI=10mA得到：R=0.0129Ω溫差電偶：U=0.065mV2.低溫溫度計(jì)的對(duì)比：根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，由于鉑電阻溫度計(jì)已經(jīng)標(biāo)定，性能穩(wěn)定，且具有較好的線性電阻溫度關(guān)系，故根據(jù)鉑電阻溫度計(jì)的電阻-溫度關(guān)系：T=aR+b,a=2.3643K由相應(yīng)溫度下的鉑電阻溫度計(jì)的電阻值確定紫銅恒溫快的溫度，再以溫度為橫坐標(biāo)，分別以所測(cè)得的硅二極管的正向電壓值和溫差電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)值為縱坐標(biāo)，畫(huà)出它們隨溫度變化的曲線，如圖六、圖七所示圖六硅二極管的正向電壓值與溫度變化的關(guān)系在電流一定的情況下電阻與電壓成正比。所以圖六也反映硅二極管的電阻值和溫度變化的關(guān)系。根據(jù)圖六我們可以得出結(jié)論：硅二極管在一定溫度范圍內(nèi)具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。與鉑溫度計(jì)比較，我們可以利用硅二極管的這一特性來(lái)彌補(bǔ)金屬電阻溫度計(jì)在低溫區(qū)電阻值和靈敏度降低的缺陷。圖七溫差電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)值與溫度變化的關(guān)系用線性多項(xiàng)式對(duì)溫差電偶兩端的電動(dòng)勢(shì)值與溫度關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，擬合的非常好，說(shuō)明在誤差允許的范圍內(nèi)溫差電偶兩端的電動(dòng)勢(shì)值與溫度呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系，溫差電偶兩端的電動(dòng)勢(shì)隨著溫度的升高而呈上升趨勢(shì)，慢慢降溫的過(guò)程中溫差逐漸減小直至趨于零。3.超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)量：根據(jù)加在樣品兩端的電流及電壓算出電阻，根據(jù)鉑電阻的電阻與溫度關(guān)系得出溫度，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)繪制樣品電阻與溫度的關(guān)系圖，如圖八：圖八超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線根據(jù)圖八，在降溫過(guò)程中電阻溫度曲線開(kāi)始從直線偏離處的電阻為0.0049Ω，起始轉(zhuǎn)變溫度TC,onset=99.82K，電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度TC=92.99K，零電阻溫度4．超導(dǎo)材料磁浮力測(cè)量實(shí)驗(yàn)：分別在無(wú)磁場(chǎng)的情況下與有磁場(chǎng)的情況下讓超導(dǎo)體發(fā)生相變（即零場(chǎng)冷和場(chǎng)冷），測(cè)量其磁懸浮力。（1）在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)使超導(dǎo)體相變（零場(chǎng)冷）的實(shí)驗(yàn)中，我們令磁體從遠(yuǎn)距離處逐漸接近超導(dǎo)體，在幾乎接觸時(shí)再逐漸遠(yuǎn)離，測(cè)量這一過(guò)程中的受力如圖九：圖九零場(chǎng)冷磁懸浮力與距離的關(guān)系圖圖中力為正值時(shí)表示的是排斥力，負(fù)值時(shí)為吸引力?？梢钥闯?，當(dāng)磁體開(kāi)始接近超導(dǎo)體時(shí)，超導(dǎo)體給磁體的力為斥力，并且隨著距離的接近，斥力急劇增大；當(dāng)磁體遠(yuǎn)離超導(dǎo)體時(shí)，斥力隨距離的增大急劇減小，甚至出現(xiàn)了表現(xiàn)為引力的情況，故可以知道當(dāng)磁體與超導(dǎo)體距離很近時(shí)，由于磁場(chǎng)十分強(qiáng)，使超導(dǎo)體進(jìn)入混合態(tài)，一部分磁感線“留”在了超導(dǎo)體內(nèi)，并被超導(dǎo)體所禁錮，因此當(dāng)磁體遠(yuǎn)離超導(dǎo)體時(shí)，由于磁感線被禁錮在超導(dǎo)體中，使得當(dāng)距離遠(yuǎn)到一定程度時(shí)，磁感線無(wú)法從超導(dǎo)體中脫離，故產(chǎn)生了引力。（2）在有磁場(chǎng)存在時(shí)使超導(dǎo)體相變（場(chǎng)冷）的實(shí)驗(yàn)中，首先使磁體與超導(dǎo)體接近，在此情況下使超導(dǎo)體相變，相變后測(cè)量磁體遠(yuǎn)離超導(dǎo)體過(guò)程中所受到的力的變化，以驗(yàn)證超導(dǎo)體混合態(tài)的存在。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的磁懸浮力曲線如圖十：圖十場(chǎng)冷磁懸浮力與距離的關(guān)系圖可以看出，增大或減小間距都有一段表現(xiàn)為吸引力。場(chǎng)冷情況下磁體離開(kāi)，超導(dǎo)中會(huì)存留俘獲磁通，所以當(dāng)磁體再次減小間距時(shí)，殘留的俘獲磁通與磁體之間有吸引力。5.磁懸浮現(xiàn)象及解釋：現(xiàn)象一：把超導(dǎo)盤冷卻到超導(dǎo)臨界溫度以下時(shí)，把磁塊慢慢放到超導(dǎo)盤上。磁塊與超導(dǎo)盤之間有斥力，翻轉(zhuǎn)磁鐵，仍然受到斥力作用。解釋：磁力線完全被排斥在超導(dǎo)體外，超導(dǎo)體具有完全抗磁性?，F(xiàn)象二：將磁塊與超導(dǎo)盤放在一起，冷卻。當(dāng)超導(dǎo)盤冷卻為超導(dǎo)體后，磁塊懸浮起來(lái)，保持在某一平衡位置。磁鐵靠近時(shí)兩者之間有斥力，遠(yuǎn)離時(shí)兩者之間有引力。解釋：靠近時(shí)磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，在超導(dǎo)體表面形成很大的磁通密度梯度，感應(yīng)出高臨界電流，從而對(duì)磁鐵產(chǎn)生排斥。超導(dǎo)體與磁塊之間的排斥力隨相對(duì)距離的減小而逐漸增大，克服磁塊的重力，使磁塊懸浮在超導(dǎo)體上方的一定高度上。當(dāng)磁體遠(yuǎn)離時(shí)，超導(dǎo)體中產(chǎn)生負(fù)的磁通密度，感應(yīng)出反向的臨界電流，超導(dǎo)體與磁塊之間產(chǎn)生引力，克服超導(dǎo)體的重力，使其倒掛在永磁體下方的某一位置。誤差分析：數(shù)據(jù)處在不斷變化中，尤其在轉(zhuǎn)變溫度附近變化非常快，沒(méi)辦法做到同時(shí)記錄。導(dǎo)致電阻或電壓與溫度之間不是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)而對(duì)測(cè)量造成