超導現(xiàn)象及YBaCuO超導體超導溫度的測定

程 泓

(商丘技師學院，河南商丘 476000)

超導現(xiàn)象及YBaCuO超導體超導溫度的測定

程 泓

(商丘技師學院，河南商丘 476000)

本文介紹了超導現(xiàn)象，超導的基本原理和超導的研究現(xiàn)狀，同時介紹了一種確定超導溫度的實驗方法及所利用的實驗裝置。利用伏安法測量了YBaCuO超導體的超導溫度，對實驗結果進行了分析和討論，最后提出了伏安法測量超導體轉變溫度時的注意事項。

超導現(xiàn)象;YBaCuO超導體;超導溫度

超導，即電流在通過某種材料時電阻完全消失的現(xiàn)象，是荷蘭物理學家Heilie Kammerlingh Onnes于1911年發(fā)現(xiàn)的。這種現(xiàn)象僅發(fā)生在物質處于極端物理狀態(tài)的溫度——臨界溫度。臨界溫度略高于絕對零度，即一273℃(OK)。在超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后的70多年中，包括1957年發(fā)表的第一個超導理論在內(nèi)的所有研究都證實了這一基本條件。而達到極端低溫的唯一方法是液化氮(4K)產(chǎn)生的低溫。

本文介紹電測法測定超導臨界溫度的原理及實驗方法。

1.實驗

本實驗的目的是，通過利用直流測量法測量超導體的臨界溫度和零電阻，觀察磁懸浮現(xiàn)象，了解超導體的兩個基本特性——零電阻和邁斯納效應。

1.1 實驗原理

超導體的兩個最重要的特征是零電阻特性和完全抗磁性。此外，還有和這兩個特征相關的臨界磁場、臨界電流等特征量。

1.1.1 零電阻現(xiàn)象

當物質的溫度下降到某一確定值Tc(臨界溫度)時，物質的電阻率由有限值變?yōu)榱愕默F(xiàn)象稱為零電阻現(xiàn)象，也稱為物質的完全導電性。

1.1.2 邁斯納效應

1937年，邁斯納和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)，具有上述完全導電性的物質還具有另外一個基本特性——完全抗磁性：當物質由常導態(tài)進入超導態(tài)后其內(nèi)部的磁感應強度總是為零，即不管超導體在常導態(tài)時的磁通狀態(tài)如何，當樣品進入超導態(tài)后，磁通一定不能穿透超導體。這一現(xiàn)象也稱為邁斯納效應。

零電阻和邁斯納效應是超導電性的兩個基本特性。這兩個基本特性既相互獨立又相互聯(lián)系，因為單純的零電阻現(xiàn)象不能保證邁斯納效應的存在，但它又是邁斯納效應存在的必要條件。

1.1.3 超導臨界參數(shù)

約束超導現(xiàn)象出現(xiàn)的因素不僅僅是溫度。實驗表明，即使在臨界溫度下，如果改變流過超導體的直流電流，當電流強度超過某一臨界值時，超導體的超導態(tài)將受到破壞而回復到常導態(tài)。如果對超導體施加磁場，當磁場強度達到某一值時，樣品的超導態(tài)也會受到破壞。破壞樣品的超導電性所需的最小極限電流值和磁場值，分別稱為臨界電流Ic(常用臨界電流密度Jc表示)和臨界磁場Hc。

臨界溫度Tc、臨電流密度Jc和臨界磁場Hc是超導體的三個臨界參數(shù)，這三個參數(shù)與物質的內(nèi)部微觀結構有關。在實驗中要注意，要使超導體處于超導態(tài)，必須將其置于這三個臨界值以下，只要其中任何一個條件被破壞，超導態(tài)都會被破壞。

1.2 實驗裝置

1.2.1 R－T 曲線測量

(1)樣品準備。實驗選用高溫氧化物超導體YBa2Cu3O7－δ塊材或薄膜，采用直流測量法測量RT曲線。為了減少漏熱，樣品的電極引線一般選用很細的銀絲或金絲，用壓銦法焊接在樣品表面上，樣品與引線之間必須具有良好的歐姆接觸。但是，由此引入的引線電阻和引線與樣品的接觸電阻往往遠大于超導體正常態(tài)的電阻，為了消除這些電阻對測量的影響，實驗中采用四引線法測量，即把供電電流引線和測量電位的引線分開。

圖1 R－T測量統(tǒng)一線路圖RS－超導體;RN－標準電阻

(2)測量電路。具體的測量線路如圖1所示。測量樣品電壓的電壓表靈敏度應優(yōu)于1μV，樣品的電流源的穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%，測溫的傳感器可用電阻型或電耦型的。

(3)低溫的獲得?？捎梦⑿椭评錂C或低溫流體冷卻待測樣品，如用微型制冷機，把樣品用導熱脂貼在制冷機的冷指上。

1.2.2 磁懸浮觀察

樣品選用塊材 YBa2Cu3O7－δ(φ =10 ～20mm)以及一塊直徑相仿的釹鐵硼小磁鐵，一個能盛裝樣品的泡沫塑料盒。

1.3 實驗過程

1.3.1 測量 R－T曲線

(1)按測量線路接好線路，根據(jù)樣品的具體情況，選擇適當?shù)暮懔髦?。溫度測量要根據(jù)所選的溫度傳感器適當?shù)剡x取測量儀器。例如，選取電阻型的感溫元件，可根據(jù)實驗室的條件或直接用溫度顯示儀測量或采用四引線法測量。

(2)樣品冷卻至液氮溫度并注意觀察Rn所對應的溫度及Tc0，然后用提拉法(提拉樣品盒中心的德銀管以改變恒溫塊與液氮面的距離)或電加熱法(控制加熱器的電功率大小)升溫測量R－T曲線：從77K到150K之間逐點測量，在超導轉變區(qū)內(nèi)的取點應盡可能密，至少取5個點，其余每10K取一個點。為了消除溫差電勢等寄生電勢對低溫下電阻測量的影響，每個測量點必須改變樣品電流的方向測量，UBC=(U’BC－U”BC)/2。根據(jù)所測數(shù)據(jù)作出 R－T曲線，并從曲線求出 Rn，Tc，Tc0和△Tc。Tc的確定也可以通過求導數(shù)法，根據(jù)R－T曲線求dR/dT的曲線，曲線極大值對應的溫度即為Tc。比較兩種方法求出的Tc。

2 實驗結果與分析

2.1 測量數(shù)據(jù)

樣品電流IS=5.0 mA，溫度計電流IT=1.0 mA，測量數(shù)據(jù)為表1。

表1 數(shù)據(jù)表

2.2 結果分析

由圖2曲線可知：

對應Tc時 VT=28.9mV

查表得出對應的Tc=95K

本實驗是基于零電阻特性，用電測法測量超導體轉變溫度Tc，從而對零電阻現(xiàn)象有一感性認識。具體做法是：使樣品通一恒定電流，測量其阻值隨溫度變化，當溫度降到Tc時阻值突然降到儀器分辨率不能檢測的情況，從而定出Tc。

2.3 注意事項

2.3.1 使用液氮時要格外小心。灌注液氮時開始要緩慢，讓容器預冷后再灌入所需量。盛裝液氮的容器必須留有供蒸氣逸出的逸氣口，以防液氮汽化后容器壓強逐漸增大而引起爆炸。操作過程中防止人體接觸液氮，否則會造成凍傷。

圖2 VS—VT曲線

2.3.2 氧化物超導體對氧含量極為敏感，因此在測量過程中注意不能讓樣品在低于0℃狀態(tài)下暴露在大氣中，測量完畢后樣品要注意干燥保存。

3.結語

本論文介紹了超導的發(fā)現(xiàn)及其發(fā)展過程和理論意義，詳細介紹了YBaCuO超導體超導溫度的實驗原理及其測量步驟，用電阻——溫度曲線的實驗方法得出了YBaCuO超導體的超導溫度，并對測量結果進行分析和討論。

［1］盧波.世界高溫超導體研究的動態(tài)［J］.冶金叢刊，1991，5：22.

［2］林木欣.近代物理實驗教程［M］.科學出版社，1999：194－197.

Superconductivity Phenomenon and YBaCuO Superconductor＇s Superconductivity Temperature

CHENG Hong
(Shangqiu Technician Institute，Shangqiu 476000，China)

This article introduces the superconductivity phenomenon，the superconductivity basic principle and the superconductivity research present situation，simultaneously introduces one definite superconductivity temperature experimental technique，and uses voltammetry to measure the YBaCuO superconductor superconductivity temperature，has carried out the analysis and discussion to the experimental result，and finally proposes the matters needing attention when using volt ammetry to measure superconductor temperature change.

superconductivity phenomenon;YBaCuO superconductor;superconductivity temperature

G206 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1671－3974(2011)04－0076－03

2011－06－21

程泓(1968－)，女，大學，河南省商丘技師學院高級講師。研究方向：物理電子學。