高温超导材料特性测试和低温温度计

1、物理仿真实验报告项目名称：高温超导材料特性测试和低温温度计院系名称： 专业班级： 姓 名： 学 号： 高温超导材料特性测试和低温温度计 一、实验目的(1) 了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。(2) 了解金属和半导体PN结的伏安特性随温度的变化以及温差效应。(3) 学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法.二、实验原理 1.高临界温度超导性1911年，卡麦林 翁钠斯(H,Kamerlingh Ornes, 1853-1926)用液氮冷却水银并通以几毫安的电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氮的正常沸点时，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

2、导电现象。通常把具有这种超导电性的物体，称为超导体；而把超导体电阻突然变为零的温度，称为超导转变温度。如果维持外磁场、电流和应力等在足够低的值，则样品在这一定外部条件下的超导转变温度，称为超导临界温度，用表示。在一般的实际测量中，地磁场并没有被屏蔽，样品中通过的电流也并不太小，而且超导转变往往发生在并不很窄的温度范围内，因此通常引起转变温度、零电阻温度和超导转变（中点）温度等来描写高温超导体的特性，如图所示。通常所说的超导转变温度Tc onset是指Tc。图1由于数字电压表的灵敏度的迅速提高，用伏安法直接判定零电阻现象已成为实验中常用的方法。然而，为了确定超导态的电阻确实为零，或者说，为了用实

3、验确定超导态电阻的上限，这种方法的精度不够高。我们知道，当电感L一定时，如果LR串联回路中的电流衰减得越慢，即回路的时间常数=L/R越大，则表明该回路中的电阻R越小。实验发现，一旦在超导回路中建立起了电流，则无需外电源就能持续几年仍观测不到衰减，这就是所谓的持续电流。 现代超导重力仪的观测表明，超导态即使有电阻，其电阻也必定小于10-28m。这个值远远小于正常金属迄今所能达到的电阻率 10-15m，因此可以认为超导态的电阻率确实为零。1933年，迈斯纳(W.F.Meissner, 1882-1974)和奥克森尔德（R.Ochsenfeld）把锡和铅样品放在外磁场中冷却到其转变温度以下，测量了样

4、片外部的磁场分布。他们发现，不论是在没有外加磁场中和有外加磁场的情况下使样片从正常态转变为超导态，只要TRr，因此有R .例如，铜和铂的德拜温度分别为310k和225k，在63k到室温的温度范围内，它们的电阻R 近似地正比于温度T。然而，稍许精确地测量就会发现它们偏离线性关系，在较宽地温度范围内铂的电阻温度关系如图2所示。图2 铂的电阻温度关系在液氮正常沸点到室温这一温度范围内，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是不随温度变化的常量。因此，根据我们所给出的铂电阻温度计在液氮正常沸点和冰点的电阻值，可以确定所用的铂电阻

5、温度计的A,B或a,b的值，并由此可得到铂电阻温度计测温时任一电阻所相应的温度值。（三） 半导体电阻以及pn结的正向电压随温度的变化半导体具有与金属很不相同的电阻温度关系。一般而言，在较大的温度范围内，半导体具有负的电阻温度系数。半导体的导电机制比较复杂，电子（e-）和空穴（e+）是致使半导体导电的粒子，常统称为载流子。在纯净的半导体中，由所谓的本征激发产生载流子；而在掺杂的半导体中，则除了本征激发外，还有所谓的杂质激发也能产生载流子，因此具有比较复杂的电阻温度关系。如图3所示，锗电阻温度计的电阻温度关系可以分为四个区。在一区中，办单体本征激发占优势，它所激发的载流子的树木随着温度的升高而增多

6、，使其电阻随温度的升高而指数的下降。当温度降低到二区和三区时，半导体杂质激发占优势，在三区中温度开始升高时，它所激发的载流子的树木也是随着温度的升高而增多的，送二使其电阻随温度的升高而指数的下降；但当温度升高到进入二区中时，杂质激发已全部完成，因此当温度继续升高时，由于晶格对载流子散射作用的增强以及载流子热运动的加剧，所以电阻随温度的升高而增大。最后，在四区中温度已经降低到本征激发和杂质激发几乎都不能进行，这时靠载流子在杂质原子之间的跳动而在电厂下形成微弱的电流，因此温度越高电阻越低。适当调整掺杂元素和掺杂量，可以改变三和四这两个区所覆盖的温度范围以及交接处曲线的光滑程度，从而做成所需的低温锗

7、电阻温度计。此外，硅电阻温度计，碳电阻温度计渗碳玻璃电阻温度计和热敏电阻温度计等也都是常用的低温半导体温度计。显然，在大部分温区锗，半导体具有负的电阻温度系数，这是与金属完全不同的。图3半导体电阻温度曲线在恒定电流下，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，如图39-4所示。由图可见，用一支二极管温度计就能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高。由于二极管温度计的发热量较大，常把它用作为控温敏感元件。（四） 温差电偶温度计当两种金属所做成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度时，该闭合回路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个接触点固定在一个已知的温度，例如液氮的正常沸点7

8、7.4K，则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。应该注意到，硅二极管pn结的正向电压U和温差电动势E随温度T的变化都不是线性的，因此在用内插方法计算中间温度时，必须采用相应温度范围内的灵敏度值。三、实验仪器1 低温恒温器2. 不锈钢杜瓦容器和支架3. PZ158型直流数字电压表4. BW2型高温超导材料特性测试装置（电源盒）四、实验内容及步骤1、室温检测打开pz158型直流数字电压表的电源开关（将其电压程置于200mV档）以及“电源盒”的总电源开关，并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品等三个分电源开关，调节两支温度计的工作电流，测量并记录其室温的电流和电压数据。原则上，为了

9、能够测量得到反映超导样品本身性质的超导转变曲线，通过超导样品的电流应该越小越好。然而，为了保证用PZ158型直流数字电压表能够较明显地观测到样品的超导转变过程，通过超导样品的电流就不能太小。对于一般的样品，可按照超导样品上的室温电压大约为50uV-200uV来选定所通过的电流的大小，但最好不要大于50mA。最后，将转换开关先后旋至“温差电偶”和“液面指示”处，此时PZ158型直流数字电压表的式值应当很低。2、低温恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对（1） 低温恒温器降温速率的控制低温测量是否能够在规定的时间内顺利完成，关键在于是否能够调节好低温恒温器的下档板侵入液氮的深度，使紫铜恒温块以适当

10、速度降温。为了确保整个实验工作可在3小时以内顺利完成，我们在低温恒温器的紫铜圆筒底部与下档板间距离的1/2处安装了可调式定点液面计。在实验过程中只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，即可保证液氮表面刚好在液面计位置附近，这种情况下紫铜恒温块温度随时间的变化大致如图10所示。图10 紫铜恒温块温度随时间的变化（2）低温温度计的比对当紫铜恒温块的温度开始降低时，观察和测量各种温度计及超导样品电阻随温度的变化，大约每隔5min测量一次各温度计的测温参量（如：铂电阻温度计的电阻、硅二极管温度计的正向电压、温差电偶的电动势），即进行温度计的比对。具体而言，由于铂电阻温度计已经标定，性

11、能稳定，且有较好的线性温度关系，因此可以利用所给出的本装置铂电阻温度计的电阻温度关系简化公式，由相应温度下铂电阻温度计的电阻值确定紫铜恒温块的温度，再以此所测得硅二极管的正向电压值和温差电偶的温差电动势值为纵坐标，画出它们随温度变化的曲线。如果要在较高的温度范围进行较精确的温度计比对工作，则应将低温恒温器置于距液面尽可能远的地方，并启用电加热器，已使紫铜恒温块能够稳定在中间温度。即使在以测量超导转变为主要目的的实验过程中，尽管紫铜恒温块从室温到150K附近的降温过程进行得很快（见图10），仍可以通过测量对具有正和负的温度系数的两类物质的低温物性有深刻的印象，并可以利用这段时间熟悉实验装置和方法

12、，例如利用液面计示值来控制低温恒温器降温速率的方法，装置的各种显示，转换开关的功能，三种温度计的温度和超导样品电阻的测量方法等等。3、超导转变曲线的测量：当紫铜恒温块的温度降低到130K附近时，开始测量超导体的电阻以及这时铂电阻温度计随给出的温度，测量点的选取可视电阻变化的快慢而定，例如在超导转变发生之前可以每5分钟测量一次，在超导转变过程中大约每半分钟测量一次。在这些测量点，应同时测量各温度计的测温参量，进行低温温度计的比对。由于电路中的乱真电动势并不随电流方向的反向而改变，因此当样品电阻接近于零时，可利用电流反向后的电压是否改变来判定该超导样品的零电阻温度。具体做法是，先在正向电流下测量超

13、导体的电压，然后按下电流反向开关按钮，重复上述测量，若这两次测量所得到的数据相同，则表明超导样品达到了零电阻状态。最后，画出超导体电阻随温度变化的曲线，并确定其起始转变温度Tc onset和零电阻温度Tc。在上述测量过程中，低温恒温器降温速率的控制依然是十分重要的。在发生超导转变之前，即在TT*温区，每测完一点都要把转换开关旋至“液面计”档，用PZ158型直流数字电压表监测液面的变化。在发生超导转变的过程中，即Tc T Tc onset温区，由于在液面变化不大的情况下，超导样品的电阻随着温度的降低而迅速减小，因此不必每次再把转换开关旋至“液面计”档，而是应该密切监测超导样品电阻的变化。当超导样

14、品的电阻接近零值时，如果低温恒温器的降温已经非常缓慢甚至停止，这时可以逐渐下移拉杆，甚至可使低温恒温器紫铜圆筒的底部接触液氮表面，使低温恒温器进一步降温，以促使超导转变的完成。最后，在超导样品已达到零电阻之后，可将低温恒温器直接侵入液氮之中，使紫铜恒温块的温度尽快降至液氮温度。R(T)=0.385(T-273.5)+100五、实验过程截图、数据记录与处理1、Pt电阻： R=0.405T+10.2782、测量数据：实验作图1、 超导样品温度随时间变化曲线图（铂电阻温度T随时间t变化曲线图）2、 Pt电阻，Si二极管正向电压，温差电偶电势随温度变化曲线图（一张图上三条线）3、超导样品电阻随温度变化

15、曲线图六、思考题1.如何判断低温恒温器的下档板或紫铜圆管底部碰到了液氮面？答：在低温恒温器的紫铜圆筒底部与下档板间距离的1/2处安装了可调式定点液面计。在实验过程中只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，即可保证液氮表面刚好在液面计位置附近2. 在“四引线测量法”中，电流引线和电压引线能否互换？答：不能。如果互换，则两根电流引线与样品的接触点将处于电压引线的接触点之间，所测得的电压出了待测电阻上的压降之外，还包括电流引线与样品见的接触电阻上的电压降，使测量结果偏大。3. 确定超导样品的零电阻时，测量电流为何必须反向？答：在样品电阻接近于0时，由于乱真电动势的干扰，测量结果不能

16、表示出样品电阻已变为0，又因为乱真电动势的大小和方向几乎不变，因此利用电流反向，当两次的测量结果相同时，可以认为超导体达到了零电阻状态。4. 如何利用本实验装置获得接近室温的（如250K）的中间温度？答：调好各种室温数据之后开始降温，通过估算，预先确定中间温度对应的Pt电阻的电压值。待恒温器降至预设的数据是，打开加热器，调节加热器的稳压电源，使Pt电压始终保持在预先估算的电压值左右，得到的温度即为室温的中间温度。5.如果分别在降温和升温过程中测量超导转变曲线，结果将会怎样？为什么？答：升温转变曲线,不知临界转变温度且低于临界转变温度无法测量6. 零电阻常规导体遵从欧姆定律，它的磁性有什么特点？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？答：零电阻的磁性特点是外磁场可以穿过零电阻常规导体，而超导体具有完全抗磁性，只要温度低于临界温度，不论有无外加磁场，超导体都能从正常态转变为超导态，且超导体内部的磁感应强度为零。因此，超导体的完全抗磁性是独立于