高溫超導體基本特性的測量

2023.8.04

實驗目的

?1.（利用直流測量法）測量超導體的臨界溫度；

?2．觀察磁懸浮現象；?

3．了解超導體的兩個基本特性—零電阻和邁斯納效應。

實驗儀器?

測量臨界溫度和阻值的成套儀器、邁斯納效應成套儀器、計算機、CASSY 傳感器?

實驗原理?

1．零電阻現象處于絕對零度的理想的純金屬，其規則排列的原子（晶格）周期場中的電子的狀態是完全確定的，因此電阻為零。溫度升高時，晶格原子的熱振動會引起電子運動狀態的變化，即電子的運動受到晶格的散射而高溫超導體基本特性的測量出現電阻 Ri。然而，通常金屬中總是含有雜質的，雜質對電子的散射會造成附加的電阻。在溫度很低時，例如在 4.2K 以下，晶格散射對電阻的貢獻趨于零，這時的電阻完全由雜質散射所引起的，我們稱之為剩余電阻 Rr，它幾乎與溫度無關。所以總電阻可以近似表達為?

R=Ri(T)+Rr （1）

?當溫度下降到某一確定 Tc（臨界溫度）時，物質的直流電阻率轉變為零的現象被稱為零電阻效應。臨界溫度 Tc 是由物質自身的性質所確定參量。如果樣品結構規整且純度非常高，在一定溫度下，物質由常規電阻狀態急劇的轉變為零電阻狀態，稱之為超導態。如果材料化學成分不純或晶體結構不完整等因素的影響，超導材料由常規電阻狀態轉變為零電阻狀態是在一定的溫度間隔中發生的。如圖 1，我們把溫度下降過程中電阻溫度曲線開始從直線偏離出的溫度的溫度稱為起始轉變溫度。我們將電阻緩慢地變化部分（常規電阻狀態下）擬合成直線Ⅰ，將電阻急劇變化部分擬合成直線Ⅱ，直線Ⅰ與直線Ⅱ的交點所對應的電阻為正常態?

表1 常見超導材料的臨界溫度

　　電阻 Rn，取 Rc=Rn/2 時所對應的溫度稱為超導體呈現超導態時的最高溫度，即超導臨界溫度 Tc。從起始轉變溫度所對應的電阻開始，把電阻變化 10%到 90%所對應的溫度區間定義為轉變寬度，記為△Tc。電阻完全降到零之初所對應的溫度為完全轉變溫度。△Tc 的大小反映了超導材料品質的好壞，均勻單相的樣品△Tc 較窄，反之較寬。

圖 1 超導體的電阻隨溫度轉變示意圖

　　2．邁斯納效應?

1937 年，邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德(R.Ochsefeld)發現超導體的一個重要性質：物質由常導態過渡到超導狀態時，處在超導狀態體內磁感應強度為零，即不管超導體在常導態時的磁通狀態如何，當樣品進入超導狀態后，磁通一定不能穿超導體。他們對圍繞球形導體單晶錫的磁場分布進行了實測，驚奇地發現：錫球過渡到超導態，錫球周圍的磁場都突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外。這種當金屬變成超導體時磁力線自動排出金屬體外，超導體內磁感應強度為零的現象，稱為邁斯納效應。后來人們還做過這樣一個實驗，在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小磁性很強的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現超導性。這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，飄然升起，與錫盤保持一定距離后，便懸空不動了。這是由于超導體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線無法穿透超導體，磁場發生畸變，便產生了一個向上的浮力。進一步的研究表明：處于超導態的物體，外加磁場之所以無法穿透它的內部，是因為在超導體的表面感生一個無損耗的抗磁超導電流，這一電流產生的磁場，恰巧抵消了超導體內部的磁場。這一發現非常有意義，在此之后，人們用邁斯納效應來判別物質是否具有超導性。 3．超導臨界參數實驗表明，在臨界溫度下，如果改變流過超導體的電流大小或者給超導體施加磁場且達到某一特定的值，超導體的超導態將會受到破壞，有轉變為正常態。也就是說超導體的超導現象不僅超取決于臨界溫度，而且取決于電流密度和磁場。我們把材料的超導狀態被外加磁場破壞而轉入正常態，這種破壞超導態所需的最小磁場強度稱為臨界磁場，臨界磁場時被昂尼斯在 1914 年從實驗中發現的，用 Hc 表示。同樣，使超導體恢復為正常態所需流過的最小電流稱為臨界電流 Ic，所對應的電流密度稱為臨界電流密度 jc。超導態有三個臨界條件：臨界溫度 Tc，臨界磁場 Hc 和臨界電流密度，它們之間密切相關。

　　實驗內容及步驟

1．測量 R-T 曲線

　　（1）連接線路，并打開計算機運行相應程序。灌注液氮，注意掌握液氮的高度。實驗采用的四引線裝置（四引線測量法減小甚至排除了引線和接觸電阻對測量的影響，是國際上通用的標準測量方法），樣品材料為塊體 YBa2Cu3O7-x，將連接好線路的超導材料 YBa2Cu3O7-x 放在泡沫盒中，然后讓液氮緩慢浸沒樣品，觀察電腦屏幕上圖線的變化。?

（2）測量電阻率隨溫度點變化。根據 R-T 圖線求出 Tc 及△Tc?

２．驗證邁斯納效應?

將一塊重量很輕磁場有比較大的磁鐵置于 YBa2Cu3O7-x 超導材料之上，并放在泡沫盒中，然后讓液氮緩慢浸沒樣品，觀擦磁鐵位置變化。或先將超導材料降溫到超導狀態，再將磁鐵置于超導材料之上，觀察磁鐵位置變化。?

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