高温超导材料特性测试和低温温度计

1、实验二十三 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P一N结的伏安特性随温度的变化以及温差电效应. 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.二实验仪器 低温恒温器，不锈钢杜瓦容器和支架，PZ15“型直流数字电压表（5合位），BW2型高温超导材料特性测试装置，带有19芯插头的装置连接电缆，若干根两头带有香蕉插头的面板连接导线.实验原理 1.高临界温度超导电性 超导体的电阻随温度的变化规律如图，其中是超导转变温度，是零电阻温度 迈纳斯效应表明超导体有完全抗磁性，这是超导体具有的独立于零电阻现象的

2、另一个基本性质。 2.铂，硅，温差电偶三种温度计的温度特性 1）铂电阻温度计：铂电阻温度关系如图在液氮沸点到正常室温温度范围内，其电阻与温度近似成正比： R(T)=AT+B;或 T(R)=aR+b;其中a，b都是常数。 2）半导体硅电阻温度计：在较大的温度范围内，半导体具有负的电阻温度系数，这一特性正好弥补了金属电阻温度计在低温下灵敏度明显降低的缺点。低温物理实验中，常用半导体温度计。在小电流下，近似有： 其中K=-2.3mV/K;硅材料约为1.20eV 3）温差电偶温度计： 如果将两种金属材料制成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度，则在该闭合回路中就会有温差电动势存在，如果将回

3、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77.4 K，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，从而构成了温差电偶温度计。这种温度计十分简便，特别是作为温度敏感部分的接触点体积很小，常用来测量小样品的温度以及样品各部分之间的温差。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。 3.四引线测量法 由于低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线通常是又细又长，其阻值有可能远远超过待测样品(如超导样品)的阻值为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采

4、用国际上通用的标准测量方法“四引线测量法”，即每个电阻元件都采用四根引线，其中两根为电流引线，两根为电压引线。 恒流源通过两根电流引线将测量电流1提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线来测量电流1在样品上所形成的电势差U.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人阻抗很高，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。 四引线测量电路如图： 4.乱真电动势及零电阻的判断 直流测量电路中固有乱真电动势，在测量值非常小时，可能会产生较大误差。故增设电流反向开关，若开关此开关，

5、样品电压均为一个固定的小值，则可判断超导体的电阻为零。实验内容 1.测量前的准备 1）连接电路，打开吵到测试仪及数字电压表开关 2）做室温检测，将铂、硅温度计中的转换开关放置于电流位置，利用微调将铂电流调至1mA（100mV），硅电流调至100A（1V），记录铂，硅及样品的电流、电压。 3）测量液氮面，将低温恒温器放入杜瓦瓶中 2.恒温器降温速度的控制与测量 1）液面计调零（测量开关放在液面计）在测量过程中要时刻关注液面计的电压，若有上升（因为液氮不断气化的缘故），则需手动将低温恒温器下调，确保温度下降的速度 2）记录测量数据低温温度计的对比：室温液氮点 记录：铂电压，硅电压，温差电偶（五分钟

6、记录一次）超导转变曲线的测量：130K液氮点 （130K，43mV） 记录：铂电压，硅电压，温差电偶（五分钟记录一次）（26mV-27mV） 记录：铂电压，温差电偶，样品电压（半分钟或者更快记录一次）（零电阻的确定） 记录：铂电压，硅电压，温差电偶，样品电压、电流液氮点温度，恒温器全部放入液氮中 记录：铂电压、电流，硅电压、电流，温差电偶，样品电压、电流，液面 计指示五.数据表格铂电压/mV硅电压/V温差电偶电压/mV样品电压/mV温度/K样品电阻/铂电阻/硅电阻/108.37 0.52035.919 285.7 108.37 520397.92 0.58564.933 261.0 97.92

7、 585686.95 0.65683.944 235.0 86.95 656877.05 0.72263.183 211.6 77.05 722668.65 0.77922.560 191.7 68.65 779261.54 0.82642.077 174.9 61.54 826455.62 0.86481.697 160.9 55.62 864850.70 0.89581.400 149.3 50.70 895846.72 0.92031.179 139.8 46.72 920343.40 0.94031.000 0.136 132.0 0.0136 43.40 940340.65 0.95

8、650.860 0.132 125.5 0.0132 40.65 956538.40 0.96970.748 0.127 120.2 0.0127 38.40 969736.50 0.98070.658 0.123 115.7 0.0123 36.50 980734.96 0.98940.586 0.120 112.0 0.0120 34.96 989433.69 0.99660.528 0.116 109.0 0.0116 33.69 996632.62 1.00260.481 0.113 106.5 0.0113 32.62 1002631.78 1.00740.443 0.111 104

9、.5 0.0111 31.78 1007431.06 1.01130.413 0.109 102.8 0.0109 31.06 1011330.50 1.01450.388 0.107 101.5 0.0107 30.50 1014529.97 1.01740.366 0.105 100.2 0.0105 29.97 1017429.57 1.01960.350 0.104 99.3 0.0104 29.57 1019629.26 1.02130.336 0.103 98.5 0.0103 29.26 1021328.92 1.02320.322 0.101 97.7 0.0101 28.92

10、 1023228.64 1.02470.312 0.100 97.1 0.0100 28.64 1024728.48 1.02560.305 0.099 96.7 0.0099 28.48 1025628.19 1.02750.287 0.096 96.0 0.0096 28.19 1027527.60 1.03070.263 0.092 94.6 0.0092 27.60 1030727.27 0.249 0.089 93.8 0.0089 27.27 27.07 0.242 0.086 93.4 0.0086 27.07 26.90 0.235 0.083 93.0 0.0083 26.9

11、0 26.73 0.229 0.079 92.6 0.0079 26.73 26.65 0.227 0.073 92.4 0.0073 26.65 26.59 0.224 0.060 92.2 0.0060 26.59 26.50 0.221 0.026 92.0 0.0026 26.50 26.38 0.215 0.004 91.7 0.0004 26.38 20.33 0.000 0.000 77.4 0.0000 20.33 室温时 Pt 109.7mV 1mA 288.8K Si 0.5144mV 0.1mA 样品 0.234mV 9.9666mA液氮点 Pt 20.33mV 77.4K Si 0mV 温差 0mV 样品 0mV 9.