1、 实验及应用背景介绍 实验目的和教学要求 实验原理 实验仪器和装置 实验内容 注意事项 课堂思考 选做实验高温超导材料特性测试和低温温度计 一一.实验及应用背景介绍实验及应用背景介绍1.1.背景介绍背景介绍 超导电现象在足够低的温度下，某些物质的电阻 突然变为零的现象。超导电现象是荷兰莱顿大学的物理学 家卡麦林昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes,18531926）和他的同事们于 1911年在液氦环境中（4.2 K）测 量水银的电阻时发现的。为了表彰他 的这项发现以及他对低温下物质的研 究，他被授予1913年诺贝尔物理学奖。超导电性某些物质在低温条件下具有电阻为零和排斥 磁力线
2、的性质。至今已发现有28种元素、几 千种合金和化合物具有超导电性。超 导 体具有超导电性的物质称为超导体。超导体 同时具有零电阻和完全抗磁性这两个独特 的性质。对于超导体，存在一个超导转变 温度（又称为临界温度）Tc。高温超导在较高温度下具有超导电性的某些物质叫高 温超导。（这里所指的较高温度是与1986年 前的临界温度23.2 K相比的）。2.高温超导的发展历史高温超导的发展历史1986年1月日本东京大学工学部将Tc提高到37 K。1986年12月中科院物理所赵忠贤等人将Tc提高到 48.6 K。1987年1月日本川崎国立分子研究所将Tc提高到43 K；不久日本综合电子研究所将Tc提高到46
3、 K 和53 K。1987年2月美国休斯顿大学的朱经武将Tc提高到90 K。1987年3月中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬 浮实验。1988年10月中国科技大学超导中心将Tc提高到130 K 和164 K。1989年2月中国科技大学再现130 K的零电阻温度。1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上第一 个超导磁体。2000年12月世界上首辆高温超导磁悬浮实验车在西南 交大研制成功。2019年3月我国清华大学研制的超导滤波器系统在中 国联通CDMA移动通信基站上现场试验成功。3 3应应 用用 基本分类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电 应用）和抗磁性应用。大电流应用超导发电、
4、超导输电和储能，如超导电动 机、高温超导电缆、超导储能装置等。电子学应用超导计算机、超导天线、超导滤波器等。抗磁性应用超导磁体、超导磁悬浮、热核聚变反应 堆等。二实验目的和教学要求二实验目的和教学要求1了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。2学习三种低温温度计的工作原理和使用以及进行比 对的方法。3了解液氮的使用和低温温度控制的一些简单方法。三实验原理三实验原理1.1.高临界温度超导电性高临界温度超导电性 Tc临界温度Bc临界磁场jc临界电流密度常引进Tc,onset、Tc0和Tcm三个物理量，一般超导转变温度Tc是指Tcm。超导体的电阻温度转变曲线见图1。TRTc0TcmTc,ons
5、etRn(T)Rn(T)122.2.迈斯纳效应迈斯纳效应无论在有或没有外加磁场的情况下，使样品从正常态转变为超导态，只要TRr，故有RRi(T)。10T/K10520304050607080901020304050RR/0dRdTD/3铂 R(0)=50dRdT10-4/K)图2 铂的电阻温度关系在液氮正常沸点到室温范围内，铂电阻温度计具有良好的线性电阻-温度关系，可表示为 R(T)=AT+B 或 T(R)=aR+b其中A、B和a、b是常量（已知）。铂的电阻温度关系见图2。(2)半导体电阻以及pn结的正向电压随温度的变化见图3和图4。lnTlnRIII III IV图3 半导体的电阻温度关系1
6、00正向电压/V200300400012T/K硅砷化镓图4 二极管的正向电压温度关系由图3可知，在大部分温区中，半导体具有负的电阻温度系数。在恒定电流下，硅和砷化镓二极管pn结的正向电压随着温度的降低而升高，见图4。(3)温差电偶温度计当两种金属导线联成回路，并使两个接触点维持在不同的温度时，该回路中就存在温差电动势。若将其中一个接触点固定在一个已知的温度，如液氮的沸点77.4 K，则可由测得的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。四实验仪器和装置 1.1.仪器用具仪器用具 低温恒温器、不锈钢杜瓦容器和支架、PZ158型直流数字电压表、BW2型高温超导材料特性测试装置（即电源盒）以及一根两头带
7、有19芯插头的连接电缆和若干根两头带有香蕉插头的连接导线。低温恒温器和杜瓦容器的结构见图5。引线插座引线拉杆拉杆固定螺母拉杆固定螺栓有机玻璃盖不锈钢杜瓦容器上挡板紫铜圆筒上盖锰铜加热器线圈紫铜圆筒紫铜恒温块超导样品可调式定点液面计下挡板温差电偶和液面计(参考点)液氮图5 低温恒温器和杜瓦容器 的结构 2 2实验装置和电测量线路实验装置和电测量线路 本实验的测量线路见图6。主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等测量电路构成。铂电阻温度计(Pt)标准电阻恒流源(1mA)直流数字电压表(10V)+-转换开关Pt电压Pt电流100硅二极管温度计(SiD)标准电阻恒流源(100A)直流数字电压表(100V)
8、+-转换开关SiD电压SiD电流10k超导样品标准电阻恒流源(-100mA)直流数字电压表PZ158(1V)+-转换开关样品电压温差电偶10样品电流V25加热器直流稳压电源(0-5V)图6 实验电路图 四引线测量法 电阻测量的原理性电路见图7。V-V+UxI-I+样品RnV-V+UnI-I+标准电阻Rn恒流源图7 四引线法测量电阻 I=Un/Rn Rx=Ux/I=UxRn/Un 铂电阻和硅二极管测量电路两个电路中电流都是单一的恒流源：1 mA和100 A。实际测量中，通过微调可分别在100 和10 k的标准电阻上得到100.00 mV和1.0000 V。超导样品测量电路本电路有六档恒流源：10
9、0 A、1 mA、5 mA、10 mA、50 mA、100 mA。本实验采用5 mA档即可。乱真电动势及零电阻的判断当样品电压接近于零时，利用电流反向开关进一步判定超导体的电阻确已为零。温差电偶及定点液面计的测量电路利用转换开关和PZ158型直流数字电压表，可监测温差电偶的电动势以及液面计的指示。电加热器电路 由内置直流稳压电源和指针式电压表构成。电压可调范围为05 V。五实验内容五实验内容1.1.电路的连接电路的连接 按面板上虚线连接导线，并将PZ158型直流数字电压表与面板上的“外接PZ158”相连。2.2.室温检测室温检测 打开外接电压表的电源开关（量程选200 mV）及电源盒的总开关，
10、并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品的分电源开关，调节温度计的工作电流，测量并记录其室温电流（电压示值分别为100.00 mV、1.0000 mV）和电压值。3.3.恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对（1 1）恒温器降温速率的控制恒温器降温速率的控制实验时利用液面计随时调节恒温器的位置，使其指示电压刚好为“零”，即可保证液氮面在液面计位置附近。（2 2）低温温度计的比对低温温度计的比对测量各温度计及超导电阻随温度的变化（测量点应选取适当），画出其随温度变化的曲线即可进行温度计的比对。4.4.超导转变曲线的测量超导转变曲线的测量温度接近130 K（V P
11、t=42.5 mV）时，每隔2.5 mV 记录一组至V Pt=30 mV。此后因转变过程很快，故应尽快记录V Pt和V样品，不再记录V硅二极管和E 温差电偶。当V样品小于0.005 mV时，利用电流反向开关排除乱真电动势的干扰。最后，画出其电阻-温度曲线并确定Tc,onset、Tcm和Tc0。六注意事项六注意事项 （1）所有测量数据必须在同一次降温过程中完成。（2）恒流源不可开路，稳压电源不可短路。（3）为了达到标称的稳定度，PZ158直流数字电压表和电 源盒至少应预热10分钟。（4）实验开始时先开总电源开关，后开分电源开关；结 束时则先关分电源开关，后关总电源开关。电加热 器的电压旋钮应处在
12、指零的位置上，待必要时使用。（5）注意设备轻拿轻放，避免磕碰杜瓦瓶。（6）杜瓦容器内的液氮不应少于15 cm，且一次不要将拉 杆下移太多，以免恒温块坠入液氮，导致实验失败。七七 课堂思考课堂思考1零电阻常规导体遵从欧姆定律，其磁性有什么特点？超导体的磁性又有什么特点？它是否是独立于零电 阻性质的超导体的基本特性？2在“四引线测量法”中，电流引线和电压引线能否互 换？为什么？3确定超导样品的零电阻时，测量电流为什么必须反 向？这种方法所判定的“零电阻”与实验仪器的灵敏 度和精度有何关系？4如何利用本实验装置获得较接近室温的(如250 K)稳定的中间温度？八选做实验八选做实验 打开电加热器，使低温恒温器缓慢升温，在升温过程中测量超导转变曲线，并与降温过程中测得的曲线进行对比、分析。(王慕冰 制作)
