高温超导_实验报告.pdf

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1、高温超导材料的特性与表征高温超导材料的特性与表征 指导教师：聂家财 实验时间：2017.12.15 摘要摘要关键词本实验主要研究了高温超导体的零电阻现象及迈斯纳效应。测量了高温超 导体的超导转变曲线，得到 Tc,onset=93.1511K，临界温度为大约为92.6191K，转变宽度 TC=1.536795K，完全转变温度即零电阻温度 TC0=91.2833K。通过铂金属计算相应温度， 得到了温差电偶与硅二极管电阻与温度的线性关系。 通过研究超导体在场冷和零场冷的情况 下的磁悬浮力情况，对第类超导体特性进行进一步分析和理解。 关键字关键字高温超导体、零点阻现象、迈斯纳效应、磁通俘获、磁悬浮 1

2、.引言引言 1911 年荷兰物理学家卡墨林翁纳斯发现了低温超导体，自此以后科学家对超导电性 理论和超导技术以及超导材料进行了大量的研究。 超导科技发展大体分为三个阶段。 第一阶 段 （1911 年1957 年） 是人类对超导电性的基本探索和认识阶段， BSC 超导微观理论问世。 第二阶段（1958 年1985 年）属于开展超导技术应用的准备阶段。第三阶段（1986 年） 是超导技术开发阶段，自 1986 年发现超导转变温度高于 30K 的超导材料后开始。1986 年 6 月，贝德诺和缪勒发现金属氧化物 Ba-La-Cu-O 材料具有超导电性，其超导转变温度为 35K， 在 13K 达到零电阻。

3、 随后世界各地的科学家们相继取得了突破性的进展。 超导研究领域的系 列最新进展， 为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。 超导电性的应用十分广泛。 本实验通过对氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特 性；了解超导磁悬浮的原理；了解金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应；掌握 低温物理实验的基本方法；低温的获得控制和测量。 2.实验原理实验原理 2.1 超导现象、临界参数及实用超导体超导现象、临界参数及实用超导体 2.1.1 零电阻现象零电阻现象 1911 年， 卡麦林 翁纳斯用液氦冷却水银线并通以几 毫安电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的 正常

4、沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的 零电阻现象或超导电现象。通常把具有这种超导电性的物 体，称为超导体。需要注意的是只有在直流电情况下才有 零电阻现象，而在交流电情况下电阻不为零。 理论上，超导临界温度的定义为:当电流、 磁场及其 它外部条件(如应力、 辐照)保持为零或不影响转变温度测 量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度。实验 上，用电阻法测定临界温度时，通常把降温过程中电阻 温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度 Tc,onset， 把临界温度 TC定义为待测样品电阻从起始转变 处下降到 一半时对应的温度，也称作超导转变的中点温度 Tcm。 图 1 超导体的电阻转

5、变曲线 图 2超导体的磁性 把电阻变化 10%到 90%所对应的温度间隔定义为转变宽度TC， 电阻刚刚完全降到零时的温 度称为完全转变温度即零电阻温度 TC0。TC的大小反映了材料品质的好坏，均匀单相的样 品TC较窄，反之较宽。如图 1 所示。通常说的超导转变温度 T 指 Tcm。 2.1.2 MEISSNER 效应效应 超导电性发现后二十年来， 人们一直以为超导态的电磁特性就是它的电阻等于零。 很 自然地把超导体想象成电导率为无限大的理想导体。 直到 1933 年 MEISSNER 和 OCHSENFELD 对超导圆柱 Pb 和 Sn 在垂直其轴向外加磁场下， 测量了超导圆柱外面磁通密度分布

6、， 发现了 一个惊人的现象:不管加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零。超导体即使 在处于外磁场中冷却到超导态， 也永远没有内部磁场， 它与加磁场的历史无关。 如图 2 所示。 这个效应称之为 MEISSNER 效应。 2.1.3 临界磁场临界磁场 HC 把一个磁场加到超导体上之后， 一定数量的磁场能量用来建立屏蔽电流的磁场以抵消 超导体的内部磁场。当磁场达到某一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许 磁场穿透，即破坏了超导电性。如果超导体存在杂质和应力等，则在超导体不同处有不同的 HC，因此转变将在一个很宽的范围内完成，和定义 TC一样，通常我们把=0/2 相应的磁 场叫

7、临界磁场。 临界磁场是每一个超导体的重要特性，实验还发现，存在两类可区分的磁行为。对于 一般的超导体来说，在 TC以下，临界磁场随温度下降而增加，由实验拟合给出 HC(T)与 T 的 关系很好地遵循抛物线近似关系 2 ( )(0)1 (/) CCC HTHT T(2-1) 对于第 II 类超导体来说，在超导态和正常态 之间存在过渡的中间态，因此第 II 类超导体存在两个临界磁场 HC1和 HC2，如图 3 所示。当 H HC1后， 磁场将进入到超 导体中，但这时体系仍有无阻的能力，我们把这个开始进入第 11 类超导体的磁场 H，叫下 临界磁场。 当 HHC1后， 磁场进入到超导体中愈来愈多，

8、同时伴随着超导态的比例愈来愈少， 故磁化曲线随着 H 的增加磁矩缓慢减小直至为零，超导体完全恢复到正常态，如图 4 所示。 我们把这个 HC2叫上临界磁场，在 HC1HHC2，区域的状态为混合态。高温超导体为第 II 类超导体。 2.1.4 临界电流密度临界电流密度 实验发现当超导体通以电流时， 无阻的超流态要受到电流大小的限制， 当电流达到某一 临界值 IC后，超导体将恢复到正常态，我们称这个电流值为临界电流，相应的电流密度为 临界电流密度 JC。对大多数金属超导体正常态的恢复是突变的，对超导合金、化合物及高温 超导体，电阻的恢复不是突变，而是随了增加渐变到正常电阻。 临界电流 IC与临界磁

9、场强度 HC是相关的，外加磁场越强，临界电流就越小。临界磁 场强度 HC依赖于温度，随温度升高而减小，并在转变温度 TC时降为零。临界电流密度 JC 图 3 第 1 类超导体临界磁场随温度而变化 图 4 第二类超导体临界磁场随温度而变化 以类似的方式和温度有关，即它在较高温度下减小。 临界温度 TC，临界电流密度 JC和临界磁场 HC是超导体的 3 个临界参数，这 3 个参数 与物质的内部微观结构有关。要使超导体处于超导态，必须将其置于这 3 个临界值以下，只 要其中任何一个条件被破坏，超导态都会被破坏。 2.1.5 实用超导体一一非理想的第实用超导体一一非理想的第 II 类超导体类超导体 对

10、于高温超导体都存在回滞 曲线(如图 8，外加磁场 H 小于上临 界磁场 HC2)，说明高温超导体从本 质上就是非理想的 II 类超导体。高 温超导体是层状结构，载流层之间 必然是正常区或弱连接区，这就意 味着整个超导体是不均匀的，必然 存在钉扎效应。 当外磁场从零开始增加，但 H HC1时，磁场将以磁通量子的形式进入超导体， 缺陷阻碍了磁通线的进入，因此磁通线进入超导 体受到“阻力” ，一直到磁场继续增加克服这个“阻 力”后才能进入超导体，故在-M-H 曲线上，H HC1 还要继续上升;同样，H 从 H HC1开始下降时，由于 磁通线受到阻力，它又不容易排出，这就在非理想 第 II 类超导体中

11、形成俘获了部分磁通。理想第 II 类 超导体中的涡旋线分布是均匀的三角形点阵，因为 涡旋线是均匀分布的，超导体中的磁感应强度 B(r) 不依赖于 r，则 0 ( )( )0j rB r (2-2) 非理想第 B 类超导体中，涡旋线是不均匀分布的，超导体中的磁感应强度 B(r)与空间 位置有关，则 ( )0( )0B rj r (2-3) 这样涡旋线将受到一个从内向边缘的 Lorentz 斥力。但是实验指出在这个 Lorentz 力的 作用下涡旋线却不运动，而是稳定的分布。这 说明除了 Lorentz 力之外它们还受到一个其它 力的作用。 这个阻碍磁通线运动的力来自缺陷， 我们把这个力叫做钉扎力

12、， 把缺陷叫做钉扎中 心。 2.2 电阻温度特性电阻温度特性 2.1.1 纯金属材料的电阻温度特性纯金属材料的电阻温度特性 纯金属晶体的电阻产生于晶体的电子被 晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射， 实 际材料中存在的杂质和缺陷也将破坏周期性 势场，引起电子的散射。根据金属导电理论的马德森(Mathiessen)定则，金属中总电阻率表 示为: 图 5YBCO 的磁化曲线 图 6 第一类和第二类超导体体中旋涡 线和电流分布 图 7 铂的电阻温度关系 = ? ? ?(2-4) ? 表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关；?（剩余电阻率）表示 杂质和缺陷对电子的散射引起的电阻率，一般不依赖

13、于温度，与杂质和缺陷的密度成正比。 图 17 给出铂金属电阻与温度的关系， 由图可见， 在液 氮正常沸点到室温温度范围内，铂电阻与温度具有良好的 线性关系。金属铂是优良的温度计材料，还具有以下特点: 化学稳定性好，不氧化、不溶于任何单一的酸;可以得到很 纯的实用材料，一号铂的纯度是 99.999%; 半导体在一定温度范围内具有负的电阻温度系数，根 据半导体低温区电阻温度关系，用半导体材料做成的温度 计，可以弥补金属电阻温度计在低温区电阻值和灵敏度降 低的缺陷。常用的半导体温度计有锗电阻温度计、硅电阻 温度计、碳电阻温度计和热敏电阻温度计。 在恒定的电流下， 硅和砷化稼二极管 pn 结的正向电压

14、 随温度的降低而升高，如图 8 所示，由图可见，在相当宽的温度范围内有较好的线性关系和 较高的灵敏度。 2.3 仪器装置及原理仪器装置及原理 2.3.1 仪器装置及原理仪器装置及原理 本实验装置由以下部分组成:(1)低温温度的获得和控制主要包括低温恒温器和不锈钢杜 瓦容器;(2)电测量部分主要包括BW2型高温超导材料特性测试装置和PZ158型直流数字电压 表;(3)高温超导体的磁悬浮演示装置。 （1）低温恒温器和不锈钢杜瓦容器 低温恒温器和杜瓦容器的结构如图 9 所示， 其 目的是得到从液氮的正常沸点 77.4 K 到室温范围 内的任意温度。 低温恒温器的核心部件是安装有超 导样品和铂电阻温度

15、计、 硅二极管温度计、 康一铜 温差电偶及 25锰铜加热器线圈的紫铜恒温块。 液 氮盛在具有真空夹层的不锈钢杜瓦容器中， 借助于 手电筒我们可通过有机玻璃盖看到杜瓦容器的内 部，拉杆固定螺母(以及与之配套的固定在有机玻 璃盖上的螺栓)可 用来调节和固定 引线拉杆及其下 端的低温恒温器 的位置。 此外还包 括紫铜圆筒及其 上盖、上下档板， 引线拉杆和 19 芯 引线插座等部件。 2.3.2 电测量原理及测量设备电测量原理及测量设备 电测量设备的核心是一台称为 “BW2 型高温超导材料特 性测试装置”的电源盒和一台灵敏度为 1V 的 PZ158 型直流数字电压表。 图 8 二极管正向电压温度关系

16、图 10 低温恒温器和杜瓦容器的结构 图 9 铁铜恒温块探头结构 B W2 型高温超导材料特性测试装置主要由铂电阻、 硅二极管和超导样品等三个电阻测 量电路构成，每一电路均包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关等五个 主要部件。 (1)四引线测量法 电阻测量的电路如图 11 所示。测量电流由恒流源提供，其大小可由标准电阻 Rn 上的 电压 Un 的测量值得出，即 I= Un/Rn。如果测量得到了待测样品上的电压 Ux，则待测样品的 电阻 Rx 为 Rx=UxRn/Un(2-5) 四引线测量法的基本原理:恒流源通过两根电流引线将测量电流 I 提供给待测样品， 而数 字电压表则是通过

17、两根电压引线来测量电流 I 在样品上所形成的电势差 U。 四引线测量法的优点:由于两根电压引线与样品的接点处在两根电流引线的接点之间， 因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响;又由于数字电压表的输入阻抗很 高， 电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。 因此， 四引线测量法减小甚至排除了引线和接触电阻对测量的影响，是国际上通用的标准测量方 法。 (2)铂电阻和硅二极管测量电路 在铂电阻和硅二极管测量电路中， 提供电流的都是只有单一输出的恒流源， 它们输出电 流的标称值分别为 1 mA 和 100 A.在实际测量中，通过微调我们可以分别在 100 和

18、10 k的标准电阻上得到 100. 00 mV 和 1. 0000 V 的电压。 在铂电阻和硅二极管测量电路中，使用两个内置的灵敏度分别为 10 uV 和 100 uV 的 4 1/2 位数字电压表，通过转换开关分别测量铂电阻、硅二极管以及相应的标准电阻上的电 压，由此可确定紫铜恒温块的温度。如图 12 中(a)和(b)所示。 图 11 四引法测量电阻 图 12 实验电路图 (3)超导样品测量电路 为了提高测量精度， 使用一台外接的灵敏度为 1 V 的 5 位半 PZ158 型直流数字电压来 测量标准电阻和超导样品上的电压，由此可确定超导样品的电阻。如图 12 中(c)所表示。 (4)温差电偶

19、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， 可以监测铜一康铜温差电偶的电动势以及可 调式定点液面计的指示，如图 12 中(c)所示。 把两种不同的导体连接成闭合的回路， 如果将它们的两个接点分别置于温度不同的热源 中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。这个装置就叫热电偶。热电 偶所产生的热电势由两部分组成:接触电势和温差电势。温差电势一般比接触电势小得多。 接触电势:两块不同的金属导体 A 和 B 相互接触，由于金属的费米能级不同，相互接触时发 生电子交换，达到平衡后，两块金属中产生接触电势差。 (5)电加热器电路 BW2 型高温超导材料特性测试装

20、置中，一个内置的直流稳压电源和一个指针式电压表 构成了一个为安装在探头中的 25 锰铜加热器线圈供电的电路。 利用电压调节旋扭可提供 0-5V 的输出电压，从而使低温恒温器获得所需要的加热功率，如图 12 中(d)所示。 2.3.3 高温超导体的磁悬浮演示装置高温超导体的磁悬浮演示装置 演示用液氮容器:是用来盛装把高温超导体降温的制冷剂一液氮，由特种塑料泡沫经过 粘接压制的，具有良好的绝热性能，而且能够适应从液氮温度到室温反复变化。 高温超导盘片:是由熔融织构 YBCO 高温超导黑色陶瓷材料制成的。 演示所采用的高温超 导盘片是防水的。 这样可以抵御空气中因为盘片表面很冷时而凝结在表面的冷凝水

21、， 从而造 成对盘片的侵蚀。 高场强钦铁硼永磁磁块:本演示实验中所采用的磁块是一个磁力非常强的钦铁硼永磁体。 它体积虽然很小，但是能产生一个非常强的磁场，当超导盘片被冷却到其临界温度以下时， 该磁块能很容易地悬浮在超导体上。 镊子:由特殊塑料做成，在实验时可以避免用手直接接触低温物体，从而避免发生冻伤， 方便实验。 3.实验内容实验内容 3.1 检查电路的连接与开机检查电路的连接与开机 检查如下的电路连接:19 芯插头两端分别接在低温恒温器拉杆顶端和电源盒后侧面的插 座上，电源机盒面板上虚线所示的待连接线，pz 1 58 型直流电压表与面板上的“外接 p 之 1 58”接线柱连接。 按下 pz

22、158 型数字电压表开关，待自检校准后按下 200mv 档按键。 打开电源盒总开关， 依次按下铂电阻温度计、 硅二极管温度计和超导样品的电源开关(不 要打开加热部分的开关)。校准通过铂电阻温度计和硅二极管温度计标准电阻的电流，超导 样品电流一般设为 5mA，此时，超导体样品的室温电压大约在 50100V 之间。然后切换 各换位旋钮的位置，记录各温度计在室温下的电流和电压数据。 3.2 液氮的灌注液氮的灌注 液氮加注过程中，要十分小心注意防.止液氮溅到裸露的皮肤上。另外，要注意防止变 硬的输液器胶管被弄碎。 检查不锈钢杜瓦瓶，确保其中无残留的杂物，否则须清理干净。 灌注液氮时，输液器胶管会冻硬，

23、而弯曲状的胶管会使被压出的液氮喷流不畅，故应先 整理好液氮罐到杜瓦瓶的距离， 使胶管除插入杜瓦瓶约 10cm 外， 在两罐间基本保持直线状。 将金属管插入液氮罐的同时将胶管插入杜瓦瓶，按紧橡胶塞。然后，关闭输液器上端的 通气阀，此时由于罐内压强升高，液氮将通过输液管开始注入不锈钢杜瓦瓶中。当气压不够 时，可平缓地压迫输液管上端的气球，使液氮继续被压出。液氮加注量可用直尺测量确定， 以静止后的液面到瓶口距离 30m 左右为宜。 液氮加注完毕，将输液器上端通气阀打开，慢慢将输液器取出，让剩余液氮回流干净， 立于液氮罐旁，将液氮罐盖好。 3.3 恒温器与液面相对位置的控制恒温器与液面相对位置的控制

24、在实验过程中需要随时调节低温恒温器的位置以保证液面计指示电压刚好为零，保证 液氮表面刚好在液面计位置附近。 (1)确认是否己将转换开关旋至“液面指示”处。 (2)为了避免低温恒温器的紫铜圆筒底部一开始就触及液氮表面而使紫铜恒温块温度 骤然降低造成实验失败， 可在低温恒温器放进杜瓦容器之前， 先用米尺测量液氮面距杜瓦容 器口的深度， 然后旋松拉杆固定螺母， 调节拉杆位置使得低温恒温器下档板至有机玻璃板的 距离刚好等于该深度，重新旋紧拉杆固定螺母，并将低温恒温器缓缓放入杜瓦容器中。当低 温恒温器的下档板碰到了液氮面时， 会发出像烧热的铁块碰到水时的响声， 同时用手可感觉 到有冷气从有机玻璃板上的小

25、孔喷出， 还可用手电筒通过有机玻璃板照射杜瓦容器内部， 仔 细观察低温恒温器的位置。 (3)稍许旋松拉杆固定螺母，控制拉杆缓缓下降，并密切监视与液面指示计相连接的 158PZ 型直流数字电压表的示值(以下简称“液面计示值” ，使之逐渐减小到“零” ，立即拧紧 固定螺母。 这时液氮面恰好位于紫铜圆筒底部与下档板间距离的 1/2 处(该处安装有液面计)。 3.4 超导转变曲线的测量超导转变曲线的测量 由于铂电阻温度计性能稳定， 且有较好的电阻温度关系， 我们由铂电阻温度计测出温度， 再测出相应温度下的其他 3 个参量:硅二极管温度计 pn 结的正向电压、 温差热电偶的温差电 动势和超导样品的电压。

26、 具体方法是将铂 R 一 T 对照表上的电阻值换成电压值， 然后监视铂 电阻温度计的电压， 每达到一个指定的电压， 即达到指定温度时， 对其他 3 个参量进行测量. (1)恒温器刚放入液氮罐时温度降得较快，这时可连续进行测量和记录。在连续测址 4-5 点后，降温速度开始变慢，此时参照铂电阻 R-T 对照表，从当前温度开始，大约每隔表上给 出的 5 个值进行 1 次测量。 (2)当恒温器的温度降到约 13OK 时，接近超导转变温度，应加密测量点，此时对铂电阻 阻 R-T 对照表上标出的每两个值进行 1 次测量。 (3)当接近起始转变温度时，样品电压的下降变快。这时温度约 93K，此后很快产生超导

27、 转变，在此过程中，要求约每隔 30 秒测量一次。 (4)到达零电阻温度后，样品电压为零。此时为确保测量的准确，应将电流反向，记样 品的正、反向电压。若正、反电流下测得的电阻值均为零，表明样品己进入零电阴.状念。 、 此后继续每隔 30 秒测量 3-5 个点。 (5)为完成低温度温度计的标定， 此后继续每个铂电阻 R-T 对照表上的两个值进行一次测 量，直到液氮温度。 (6)完成实验测量后将恒温器缓缓取出并松开拉杆锁定螺母。 3.5 高温超导体的磁悬浮演示高温超导体的磁悬浮演示 通过高温超导盘片在磁块上的悬浮现象演示了高温超导体的两个独有的特性:混合态效 应和完全抗磁性。 1)完全抗磁性(ME

28、ISSNER 效应) 首先要把超导盘片冷却到超导临界温度以下， 使其处于超导状态， 然后用塑料镊子把磁 块慢慢放到高温超导盘片上面。观察磁铁的状态。 2)混合态效应 先把磁块放到高温超导盘片上， 然后慢慢到入液氮冷却它。 当高温超导盘片被冷却到其 超导临界温度以下，即高温超导盘片达到超导状态后，观察磁体的状态。 3.6 高温超导体的磁悬浮力测量高温超导体的磁悬浮力测量 通过改变高温超导盘片与磁块之间的距离， 定量测量高温超导体磁悬浮力的变化， 并给 出磁悬浮力与超导体.磁体间距的关系曲线。 4.实验结果与分析实验结果与分析 4.1 室温测量室温测量 切换各换位旋钮的位置，记录各温度计在室温下的

29、电流和电压数据。 铂电阻U=107.56mVI=1.00mA得到：R=107.56 硅二极管 U=0.5232VI=100.00uA得到：R=5232 则在室温下铂电阻和硅二极管的电阻分别为 107.56和 R=5232。 4.2 低温温度计的对比低温温度计的对比 根据实验记录的数据，由于铂电阻温度计已经标定，性能稳定，且具有较好的线性电阻 温度关系，故根据铂电阻温度计的电阻-温度关系： T = aR ? b ,a = 2.3643? ? = 29.315K 由相应温度下的铂电阻温度计的电阻值确定紫铜恒温快的温度， 再以温度为横坐标， 分别以 所测得的硅二极管的正向电压值和温差电偶的温差电动势

30、值为纵坐标， 画出它们随温度变化 的曲线。实验数据如表 1 所示。 表 1 低温温度计实验数据测量 Pt 电阻温度计 （mA） 硅二极管 （mV） 温差电偶 (mV) 样品电压 （mV） 温度（K） 样品电阻 （） 106.170.53035.5730.052280.33270.0104 104.420.54075.6110.051276.19520.0102 102.510.55255.390.051271.67940.0102 99.580.57025.1120.05264.7520.01 97.850.58074.9550.049260.66180.0098 95.80.59324.76

31、70.048255.81490.0096 91.820.61734.4130.047246.4050.0094 89.70.63014.2320.046241.39270.0092 87.770.6424.0450.045236.82960.009 85.50.65543.8750.044231.46270.0088 83.710.66593.7270.043227.23060.0086 81.840.67693.5750.043222.80930.0086 79.710.68953.4060.042217.77340.0084 77.840.70063.2590.041213.35210.0

32、082 75.640.71323.0910.04208.15070.008 73.780.72422.9480.039203.75310.0078 71.860.73522.8020.039199.21360.0078 69.810.74712.6550.038194.36680.0076 67.870.75832.5150.037189.780.0074 65.870.76982.3750.037185.05140.0074 63.890.78112.2370.036180.37010.0072 61.820.79292.1010.035175.4760.007 59.750.80471.9

33、630.035170.58190.007 57.810.81571.8380.034165.99520.0068 55.820.82691.7150.033161.29020.0066 53.840.83771.5940.032156.60890.0064 51.930.84881.4760.031152.09310.0062 49.910.85991.3580.031147.31720.0062 46.980.87611.1930.03140.38980.006 44.980.88711.0840.029135.66120.0058 43.980.89261.0320.029133.2969

34、0.0058 42.990.8980.9790.028130.95630.0056 41.960.90360.9260.028128.5210.0056 40.970.9090.8250.027126.18040.0054 39.990.91440.8250.027123.86340.0054 38.970.91980.7750.026121.45180.0052 37.990.92510.7290.026119.13480.0052 36.990.93050.6260.025116.77050.005 34.990.94120.5380.025112.04190.005 33.980.946

35、50.5820.025109.65390.005 32.970.9520.4940.024107.2660.0048 31.990.95720.450.023104.9490.0046 31.020.96230.4070.023102.65560.0046 30.720.96390.3930.022101.94630.0044 29.780.9880.3560.02299.723850.0044 29.190.97190.3330.02198.328920.0042 28.720.97430.3120.02197.21770.0042 28.260.97680.2930.0296.130120

36、.004 27.980.97820.2830.0295.468110.004 27.790.97920.2750.0295.01890.004 27.480.98080.2640.01994.285960.0038 270.98330.2440.01893.15110.0036 26.930.98370.2410.01792.98560.0034 26.850.98410.2380.01692.796460.0032 26.70.98490.2320.00792.441810.0014 26.650.98520.2290.00592.32360.001 26.590.98540.2280.00

37、392.181740.0006 26.350.98670.2180.00191.614310.0002 26.210.9879091.28330 26.130.98790.209091.094160 25.210.9930.178088.9190 24.850.99490.164088.067860 图 13 Si 二极管正向电压随温度的变化关系 图 14 温差电偶电势随温度的变化 对比两种曲线的温差电偶和 Si 二极管的温度变化曲线，温差电偶随温度近似成线性变 化，并且温差电偶电动势随温度成正相关。Si 二极管的正向电压变化曲线和温度也成线性变 化，但是 Si 二极管的电压随温度的升高而降低

38、。对比两条曲线的线性拟合参数，发现 Si 二 极管的线性较好。 4.3 超导转变曲线的测量超导转变曲线的测量 根据表 1 中的数据做样品电阻随温度的变化曲线。如图 15 所示 图 15 样品电阻随温度的变化曲线 该样品下降到 93.1511K 时开始迅速下降即起始转变温度 Tc,onset=93.1511K，在很短的 温度变化内样品电阻变为 0。根据图像和表中的数据可以测得临界温度为大约为92.6191K， 转变宽度TC=1.536795K，完全转变温度即零电阻温度 TC0=91.2833K。该样品转变宽度 为TC=1.536795K，转变宽度较小，说明样品材料的品质较好。 4.4 高温超导磁

39、悬浮演示高温超导磁悬浮演示 先使样品进入超导态再用强磁铁作用， 可发现此时两者有很强的排斥作用。 其原因是当 样品进入超导态后， 磁力线完全被排斥在超导体外， 超导体具有完全抗磁性， 当磁铁靠近 （即 磁场增大）时，会产生感应电流，阻碍磁感线的进入，因此两者产生排斥作用。 先让样品和磁铁靠近，再让样品进入超导态，当抽出塑料纸后，可看到磁悬浮现象。这 是因为在磁场下冷却到超电导临界温度以下后， 高温超导体进入了混合态， 部分磁力线被排 斥，部分磁力线被钉扎。 4.5 高温超导磁悬浮力测量高温超导磁悬浮力测量 图 16 冷场 图 17 零冷场 场冷条件下，测得的力与距离的曲线如图 12 所示，其中

40、上方的曲线为磁铁与样品距离 靠近（下行）时的曲线，下方曲线为磁铁与样品距离远离（上行）时的曲线。根据演示实验， 场冷时，会出现磁悬浮现象。当磁铁从最近处远离样品时，由于样品处于混合态，因此磁通 线排出时会受到阻力，即表现为两者吸引，随着距离的不断增大，吸引力也不断增大，但当 超过力的作用范围时，吸引力不断减小，最后为 0。此时，样品内是有俘获磁通的，因而， 当两者距离减小时（在力的作用范围内）会体现出吸引的作用，而当距离进一步减小，为保 证内部磁通为 0，此时磁通线会受到进入的阻力，因而体现排斥作用，随距离的不断增大而 增大。 零场冷条件下（完全抗磁性） ，测得的力与距离的曲线如图 10 所示

41、，其中上方的曲线为 磁铁与样品距离靠近（下行）时的曲线，下方曲线为磁铁与样品距离远离（上行）时的曲线。 根据演示实验，零场冷时，两者之间产生排斥作用。当距离较远时，超过作用力范围，因而 无作用力，随着距离越来越小，斥力越来越明显。当磁铁从最近处远离样品时，样品为完全 抗磁性，样品和磁铁之间仍然为斥力，并且随着距离的增大而逐渐变小，最后为 0。 5.实验结论实验结论 本实验利用铂金属电阻和温度的线性关系， 计算不同时刻温度， 对比了温差电偶与硅二 极管电阻与温度的关系， 温差电偶与硅二极管电阻的正向电压与温度都成线性变化， 但温差 电偶电动势随温度的增大而增大， 硅二极管电阻的正向电压随温度增大而增大。 测量了高温 超导体的超导转变曲线，得到其起始转变温度 Tc,onset=93.1511K，临界温度为大约为 92.6191K，转变宽度TC=1.536795K，完全转变温度即零电阻温度 TC0=91.2833K。该样 品转变宽度为TC=1.536795K，转变宽度较小，说明样品材料的品质较好。通过研究超 导体在场冷和零场冷的情况下的磁悬浮力情况， 对第类超导体特性进行进一步分析和理解。 参考文献参考文献 1近代物理实验讲义. 北京师范大学物理实验教学中心. 2016.9 2张裕恒,超导物理,合肥：中国科技大学出版社,1997.