高溫超導實驗

【摘 要】超導是指某物質(zhì)在溫度低于某一點值時，出現(xiàn)電阻率為零的現(xiàn)象。本實驗通過對FD—TX—RT—II高溫超導轉(zhuǎn)變溫度測定儀的結構及使用方法的學習，利用FD—TX—RT—II高溫超導轉(zhuǎn)變溫度測定儀測量氧化物超導體YBaCuO的超導臨界溫度，加深對超導原理的認識。

【關鍵詞】高溫超導；FD—TX—RT—II測定儀；轉(zhuǎn)變溫度

超導電性發(fā)現(xiàn)于1911年，荷蘭科學家昂納斯在實現(xiàn)了氦氣液化之后不久，利用液氦所能達到的極低溫條件，他指導學生Gilles Holster 進行金屬在低溫下電阻率的研究，發(fā)現(xiàn)在溫度稍低于4.2K是水銀（Hg）的電阻突然下降到一個很小值，昂納斯認為汞進入了電阻完全消失的新狀態(tài)——超導態(tài)。1933年邁斯納和奧克森非爾德發(fā)現(xiàn)了超導體另一重要性質(zhì)——完全抗磁性，即“邁斯納效應”。人們將具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出零電阻和完全抗磁性性質(zhì)的材料，1911年也被稱為“超導元年”。

超導現(xiàn)象的出現(xiàn)，讓科學家大膽設想：如果能將超導材料的轉(zhuǎn)變溫度提高到室溫，生活將因此經(jīng)歷一次新革命。人們將不再為電子產(chǎn)品發(fā)熱而苦惱、一次充電能使手提電腦連續(xù)使用數(shù)月、出門能輕松乘坐時速幾百公里以上的磁懸浮列車。目前，隨著低溫技術的發(fā)展和小型化，超導材料已得到廣泛應用。超導材料廣泛用于穩(wěn)定電網(wǎng)的設備，如超導限流器和變壓器、磁體和儲能系統(tǒng)、大電流輸電等設施；同時超導磁體用于超導核磁成像、磁懸浮列車、超導電機等裝置；利用超導特性人們還研制了超靈敏磁場探測器——超導量子干涉儀（SQUID），它可探測到地磁場億分之一的信號強度，將在心磁和腦磁探測、大地探礦等領域

大顯身手；超導材料也可制成濾波器等微波器件，應用于通訊和國防領域。可以毫不夸張地說，超導材料將是本世紀最重要的新材料之一。

一、零電阻效應和轉(zhuǎn)變溫度

根據(jù)馬德森定則，金屬的電阻率和溫度的關系可以表示為

ρ（T）= ρi（T）+ρr

式中ρr為材料的雜質(zhì)和缺陷對自由電子的散射而產(chǎn)生的電阻率，ρi（T）為自由電子受晶格原子振動（聲子）的散射而產(chǎn)生的電阻率。一般金屬，即使溫度降至絕對零度，也存在由雜質(zhì)及缺陷散射形成的剩余電阻。

每種超導電材料都有其獨特的結構，從而具有相應的特征溫度。高于此特征溫度，材料處于正常態(tài)，具有金屬性的電阻率。低于這個特征溫度，電阻率為零，材料進入超導狀態(tài)。通常稱這個特征溫度為超導體的轉(zhuǎn)變溫度（transition temperature）或臨界臨界溫度（Critical temperature），用 Tc表示。由于材料的化學成份不純和晶體結構不完整等因素的影響，超導體的正常態(tài)——超導態(tài)轉(zhuǎn)變是在一定的溫度間隔中發(fā)生的。

二、邁斯納效應

當把超導體置于外加磁場中時，磁通不能穿透超導體，超導體內(nèi)的磁感應強度始終保持為0，超導體的這個特性稱為邁斯納效應。完全抗磁性不是說磁化強度M和外磁場B等于零，而僅僅是表示M = -B / 4p。

超導體的零電阻現(xiàn)象與完全抗磁性的兩個特性既相互獨立又有緊密的聯(lián)系。完全抗磁性不能由零電阻特性派生出來，但是零電阻特性卻是邁斯納效應的必要條件。

超導體的完全抗磁性是由其表面屏蔽電流產(chǎn)生的磁通密度在導體內(nèi)部完全抵消了由外磁場引起的磁通密度，使其凈磁通密度為零，它的狀態(tài)是唯一確定的，從超導態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變是可逆的。

三、四引線法原理及其作用

兩根電壓引線與樣品的節(jié)點處在兩根電流引線的節(jié)點之間，排除了電流引線與樣品之間的接觸電阻對測量的影響。又因為數(shù)字電壓表的輸入阻值很大，電壓引線的引線電阻以及它們與樣品之間的接觸電阻對測量的影響可以忽略不計。因此，使用四引線測量法可以有效避免引線電阻和接觸電阻對測量的影響。

四、實驗儀器

FD-RT-II高溫超導轉(zhuǎn)變溫度測量儀主要由實驗主機、低溫液氮杜瓦瓶和實驗探棒以及前級放大器組成。

其技術指標為；（1）工作電壓：220V 10%，50Hz。（2）儀器功率：15W。（3）樣品電流調(diào)節(jié)范圍：1.5mA-33mA。（4）溫度計工作電流：1.00mA。（5）溫度計電壓放大倍數(shù)：40倍。

五、注意事項

使用液氮一定要注意安全。（1）不要讓液氮濺到人體、儀器或引線上；（2）液氮汽化時體積將急劇膨脹，切勿將容器出氣口封死；（3）氮氣是窒息性氣體，應保持實驗室有良好的通風。

樣品的焊接與保持。（1）焊接樣品時，宜用小烙鐵頭，不應焊動焊接點的涂銀絲，應使錫焊接點保持亮澤（去除助焊劑）。（2）YBaCuO材料易吸收空氣中的水汽使超導性能變壞，應存放在有硅膠干燥的密封容器中。

樣品電流為10mA，如果樣品電流過大，會發(fā)熱發(fā)燙，而低溫物理實驗裝置的原則之一是必須盡可能減小室溫漏熱。如果電流過小，考慮到裝置的靈敏度問題，很可能測量不出。

探棒不得劇烈震動和撞擊，以免震斷連接樣品的涂銀絲而損壞儀器。拿離和放回實驗臺時，一定要輕拿輕放；浸入和提高低碳液氮杜瓦時，一定要將探棒豎直對準杜瓦瓶口的中心軸線緩慢操作，避免跟瓶口和其他物體碰撞。

參考文獻：

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[2]甘子劍、韓汝王冊、張瑞明等，《氧化物超導電材料物性專題報告》，北京大學出版社，1998年。

[3]馬文學，《超導物理概論》，吉林科學技術出版社，1990年。

[4]馮瑞等，《金屬物理學第四卷超導電性和磁性》，科學出版社，1998年。