•实验及应用背景介绍•实验目的和教学要求•实验原理•实验仪器和装置•实验内容•注意事项•课堂思考•选做实验高温超导材料特性测试和低温温度计一.实验及应用背景介绍1.背景介绍超导电现象——在足够低的温度下，某些物质的电阻突然变为零的现象。超导电现象是荷兰莱顿大学的物理学家卡麦林·昂内斯（HeikeKamerlinghOnnes,1853—1926）和他的同事们于1911年在液氦环境中（≈4.2K）测量水银的电阻时发现的。为了
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彰他的这项发现以及他对低温下物质的研究，他被授予1913年诺贝尔物理学奖。超导电性——某些物质在低温条件下具有电阻为零和排斥磁力线的性质。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物具有超导电性。超导体——具有超导电性的物质称为超导体。超导体同时具有零电阻和完全抗磁性这两个独特的性质。对于超导体，存在一个超导转变温度（又称为临界温度）Tc。高温超导——在较高温度下具有超导电性的某些物质叫高温超导。（这里所指的较高温度是与1986年前的临界温度23.2K相比的）。2.高温超导的发展历史1986年1月——日本东京大学工学部将Tc提高到37K。1986年12月——中科院物理所赵忠贤等人将Tc提高到48.6K。1987年1月——日本川崎国立分子研究所将Tc提高到43K；不久日本综合电子研究所将Tc提高到46K和53K。1987年2月——美国休斯顿大学的朱经武将Tc提高到90K。1987年3月——中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。1988年10月——中国科技大学超导中心将Tc提高到130K和164K。1989年2月——中国科技大学再现130K的零电阻温度。1991年3月——日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。┇2000年12月——世界上首辆高温超导磁悬浮实验车在西南交大研制成功。2004年3月——我国清华大学研制的超导滤波器系统在中国联通CDMA移动通信基站上现场试验成功。3．应用基本分类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用——超导发电、超导输电和储能，如超导电动机、高温超导电缆、超导储能装置等。电子学应用——超导计算机、超导天线、超导滤波器等。抗磁性应用——超导磁体、超导磁悬浮、热核聚变反应堆等。二．实验目的和教学要求1．了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。2．学习三种低温温度计的工作原理和使用以及进行比对的方法。3．了解液氮的使用和低温温度控制的一些简单方法。三．实验原理1.高临界温度超导电性Tc————临界温度Bc————临界磁场jc————临界电流密度常引进Tc,onset、Tc0和Tcm三个物理量，一般超导转变温度Tc是指Tcm。超导体的电阻－温度转变曲线见图1。2.迈斯纳效应无论在有或没有外加磁场的情况下，使样品从正常态转变为超导态，只要T
>Rr，故有R≈Ri(T)。图2铂的电阻－温度关系在液氮正常沸点到室温范围内，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是常量（已知）。铂的电阻－温度关系见图2。(2)半导体电阻以及pn结的正向电压随温度的变化见图3和图4。图3半导体的电阻－温度关系图4二极管的正向电压－温度关系由图3可知，在大部分温区中，半导体具有负的电阻温度系数。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，见图4。(3)温差电偶温度计当两种金属导线联成回路，并使两个接触点维持在不同的温度时，该回路中就存在温差电动势。若将其中一个接触点固定在一个已知的温度，如液氮的沸点77.4K，则可由测得的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。四．实验仪器和装置1.仪器用具低温恒温器、不锈钢杜瓦容器和支架、PZ158型直流数字电压表、BW2型高温超导材料特性测试装置（即电源盒）以及一根两头带有19芯插头的连接电缆和若干根两头带有香蕉插头的连接导线。低温恒温器和杜瓦容器的结构见图5。图5低温恒温器和杜瓦容器的结构2．实验装置和电测量线路本实验的测量线路见图6。主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等测量电路构成。图6实验电路图① 四引线测量法电阻测量的原理性电路见图7。图7四引线法测量电阻I=Un/Rn→Rx=Ux/I=UxRn/Un②铂电阻和硅二极管测量电路两个电路中电流都是单一的恒流源：1mA和100mA。实际测量中，通过微调可分别在100W和10kW的标准电阻上得到100.00mV和1.0000V。③超导样品测量电路本电路有六档恒流源：100mA、1mA、5mA、10mA、50mA、100mA。本实验采用5mA档即可。④乱真电动势及零电阻的判断当样品电压接近于零时，利用电流反向开关进一步判定超导体的电阻确已为零。⑤温差电偶及定点液面计的测量电路利用转换开关和PZ158型直流数字电压表，可监测温差电偶的电动势以及液面计的指示。⑥电加热器电路由内置直流稳压电源和指针式电压表构成。电压可调范围为0～5V。五．实验内容1.电路的连接按面板上虚线连接导线，并将PZ158型直流数字电压表与面板上的“外接PZ158”相连。2.室温检测打开外接电压表的电源开关（量程选200mV）及电源盒的总开关，并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品的分电源开关，调节温度计的工作电流，测量并
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其室温电流（电压示值分别为100.00mV、1.0000mV）和电压值。3.恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对（1）恒温器降温速率的控制实验时利用液面计随时调节恒温器的位置，使其指示电压刚好为“零”，即可保证液氮面在液面计位置附近。（2）低温温度计的比对测量各温度计及超导电阻随温度的变化（测量点应选取适当），画出其随温度变化的曲线即可进行温度计的比对。4.超导转变曲线的测量温度接近130K（VPt=42.5mV）时，每隔2.5mV记录一组至VPt=30mV。此后因转变过程很快，故应尽快记录VPt和V样品，不再记录V硅二极管和E温差电偶。当V样品小于0.005mV时，利用电流反向开关排除乱真电动势的干扰。最后，画出其电阻-温度曲线并确定Tc,onset、Tcm和Tc0。六．注意事项（1）所有测量数据必须在同一次降温过程中完成。（2）恒流源不可开路，稳压电源不可短路。（3）为了达到标称的稳定度，PZ158直流数字电压表和电源盒至少应预热10分钟。（4）实验开始时先开总电源开关，后开分电源开关；结束时则先关分电源开关，后关总电源开关。电加热器的电压旋钮应处在指零的位置上，待必要时使用。（5）注意设备轻拿轻放，避免磕碰杜瓦瓶。（6）杜瓦容器内的液氮不应少于15cm，且一次不要将拉杆下移太多，以免恒温块坠入液氮，导致实验失败。七．课堂思考1．零电阻常规导体遵从欧姆定律，其磁性有什么特点？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？2．在“四引线测量法”中，电流引线和电压引线能否互换？为什么？3．确定超导样品的零电阻时，测量电流为什么必须反向？这种方法所判定的“零电阻”与实验仪器的灵敏度和精度有何关系？4．如何利用本实验装置获得较接近室温的(如250K)稳定的中间温度？八．选做实验打开电加热器，使低温恒温器缓慢升温，在升温过程中测量超导转变曲线，并与降温过程中测得的曲线进行对比、分析。
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