物理實驗研究性報告高溫超導材料特性測試和低溫溫度計高溫超導材料特性測試和低溫溫度計實驗摘要:采用杜瓦容器和低溫恒溫器獲得從液氮沸點到室溫的任意溫度，在此條件下，測量高溫超導材料電阻，確定其起始轉變溫度和零電阻溫度，并觀察記錄伯電阻溫度計、硅二極管溫度計及銅-康銅溫差電偶溫度計測溫參量的變化，進行溫度計的比對。超導體在超導狀態(tài)具有零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性，具有輝煌的應用前景。一般達到超導狀態(tài)需要很低的溫度，最低為4.15K，大大約束了超導材料的實際應用。從1911年發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象至今，人們一直為提高超導材料的臨界溫度而努力。本實驗在液氮沸點到室溫范圍內(nèi)測量超導材料電阻特性，相對而言為高溫超導，并對各種溫度計進行比對，為在不同溫區(qū)選擇合適溫度計提供依據(jù)。圖1苴旦體的電相拄變甘線實驗原理一超導電性.圖1苴旦體的電相拄變甘線1911年，卡麥林翁納斯用液氦冷卻水銀線并通以幾毫安電流，在測量其端電壓時發(fā)現(xiàn)，當溫度稍低于液氦的正常沸點時，水銀線的電阻突然跌落到零，這就是所謂的零電阻現(xiàn)象或超導電現(xiàn)象。通常把具有這種超導電性的物體，稱為超導體。引進起始轉變溫度Tc,onset、零電阻溫度Tc0和超導轉變(中點)溫度*m來描寫高溫超導體的特性，如圖1所示。通常說的超導轉變溫度Tc指Tcm。2.低溫溫度計.金屬電阻隨溫度的變化.作為低溫物理實驗基本工具的各種電阻溫度計，是建立在對各種類型材料的電阻溫度關系研究基礎上的。不同類型材料電阻隨溫度變化性質(zhì)不同。合金中，電阻主要由雜質(zhì)散射引起，因此電子平均自由程對溫度變化很不敏感，如錳銅的電阻隨溫度的變化就很小，實驗用標準電阻和電加熱器就是用錳銅線繞制而成。純金屬中，總電阻可近似表達成：R=Ri(T)+Rr，其中，Ri為電子運動受到晶格散射出現(xiàn)的電阻，Rr為幾乎完全由雜質(zhì)散射造成的剩余電阻，它近似與溫度無關。半導體則具有與金屬完全不同的電阻溫度關系，在大部分溫區(qū)中具有負的電阻溫度系數(shù)。在液氮正常沸點到室溫范圍內(nèi)，伯電阻溫圖35-2鉗的電阻溫度關系

度計具有良好的線性電阻溫度關系，可表示為：R(T)=AT+B,或T(R)=aR+，，其中A、B和a、b是不隨溫度變化的常量。因此，根據(jù)我們給出的伯電阻溫度計在液氮正常沸點和冰點的電阻值，可以確定所用的伯電阻溫度計的A、B或。、b的值，并由此可得到用伯電阻溫度計測溫時任一電阻所相應的溫度值。半導體電阻和PN節(jié)的正向電壓隨溫度的變化.與金屬完全不同，半導體材料在大部分溫區(qū)具有負的電阻溫度系數(shù).在純凈的半導體中，由所謂的本征激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴對，統(tǒng)稱載流子來參與導電；而在摻雜的半導體中，則除了本征激發(fā)外，還有所謂的雜質(zhì)激發(fā)也能產(chǎn)生載流子，因此具有比較復雜的電阻-溫度關系。在恒定電流下，硅和砷化鎵二極管PN結的正向電壓隨著溫度的降低而升高。由于二極管溫度計的發(fā)熱量較大，常把它用作控溫敏感元件。溫差電偶溫度計.圖多"：極管的I：迥電II、.圖多"：極管的I：迥電II、.溫度關系儀器介紹低溫恒溫器和不銹鋼杜瓦容器為了得到從液氮的正常沸點77.4K到室溫范圍內(nèi)的任意溫度，我們采用如圖2所示的低溫恒溫器和杜瓦容器。電測量原理及測量設備電測量設備的核心是一臺稱為“BW2型高溫超導材料特性測試裝置”的電源盒和一臺靈敏度為1UV的PZ158型直流數(shù)字電壓表。怛源源律品虬電阻測量的原理電路如圖3所示。其中，Rn、Un為標準電阻及其上電壓，以為待測樣品電壓。怛源源律品虬Ry=—-弓、捕座-』繞拉片抑有固定鰥毋拭件定蛛性勺'機臣瑙亞工容器I松板紫tn圓筒素和匕.；亂墳超導-弓、捕座-』繞拉片抑有固定鰥毋拭件定蛛性勺'機臣瑙亞工容器I松板紫tn圓筒素和匕.；亂墳超導樣帛下檔板S2低話恒端器和杜瓦容器的始構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，因此測量引線又細又長，其阻值遠遠超過如超導樣品阻值。為了減小引線和接觸電阻對測量的影響，通常采用“四引線測量法”，基本原理是：恒流源通過兩根電流引線將測量電澈提供給待測樣品，數(shù)字電壓表通過兩根電壓引線測量電流/在樣品上形成的電勢差U.由于兩根電壓引線與樣品接點處在兩根電流引線接點之間，排除了電流引線與樣品之間接觸電阻對測量的影響，又數(shù)字電壓表輸入阻抗很高，電壓引線電阻以及它們與樣品間的接觸電阻對測量的影響可以忽略不計。另外，在低溫物理實驗中，即使電路中沒有來自外電源的電動勢，只要存在材料的不均勻性和溫差，就有溫差電動勢存在，稱為亂真電動勢或寄生電動勢，所以增設了電流反向開關，用以進一步確定超導電阻確已為零。伯電阻、硅二極管測量電路、超導樣品測量電路、溫差電偶及定點液面計的測量電路及電加熱器電路分別如圖4所示。標琳電阻總電阻8S度標琳電阻總電阻8S度ib(Pc)標準唱區(qū)硅二楹管泅座汁(繇D).宜.流穩(wěn)壓電源CO5V)轉換開美反向汗關樣品電壓;恒澈御(-lOOmZ)鼠流故字電原喪PZ!58(：#V；標準電阻超導肆品0___]Ir■.宜.流穩(wěn)壓電源CO5V)轉換開美反向汗關樣品電壓;恒澈御(-lOOmZ)鼠流故字電原喪PZ!58(：#V；標準電阻超導肆品實驗步驟電路的連接.實驗開始前先把“BW2型高溫超導材料特性測試裝置”(以下稱“電源盒”)面板上虛線所示的待連接導線按圖4所示接好，并將PZ158型直流數(shù)字電壓表與“電源盒”面板上的“外接PZ158”相連接。將“裝置連接電纜”兩端的19芯插頭分別插在低溫恒溫器拉桿頂端及電源盒右側面的插座上。室溫檢測。打開PZ158型直流數(shù)字電壓表的電源開關(將其電壓量程置于200mV檔)以及“電源盒”的總電源開關，并依次打開伯電阻、硅二極管和超導樣品三個分電源開關，調(diào)節(jié)伯電阻溫度計工作電流為1mA，硅二極管溫度計工作電流為100UA，測量并記錄其室溫的電流和電壓數(shù)據(jù)。選擇超導樣品電流為5mA。低溫恒溫器的降溫速率的控制及低溫溫度計的比對。將轉換開關旋至“液面指示”處。在低溫恒溫器放進杜瓦容器之前，先用米尺測量液氮面距杜瓦容器口的深度，然后旋松拉桿固定螺母，調(diào)節(jié)拉桿位置使得低溫恒溫器下檔板至有機玻璃板的距離剛好等于該深度，重新旋緊拉桿固定螺母，并將低溫恒溫器緩緩放入杜瓦容器中。低溫恒溫器的下檔板碰到液氮面時，會發(fā)出像燒熱的鐵塊碰到水時的響聲。待液氮面逐漸平靜下來后，稍許旋松拉桿固定螺母，控制拉桿緩緩下降，密切監(jiān)視與液面指示計相連接的PZ158型直流數(shù)字電壓表的示值（以下簡稱“液面計示值”），使之逐漸減小到“零”（可有正或負幾個微伏的示值），此時液面計兩個探頭均處于液氮中，也即液氮面恰好位于紫銅圓筒底部與下檔板間距離的1/2處。觀察和測量各種溫度計及超導樣品電阻隨溫度的變化，大約每隔5分鐘測量一次各溫度計的測溫參量（伯電阻溫度計的電阻、硅二極管溫度計的正向電壓、溫差電偶的電動勢），進行溫度計比對。伴隨著低溫恒溫器溫度的不斷下降，液氮面也會緩慢下降，引起液面計示值的增加，此時應將拉桿向下移動少許（約2mm，切不可下移過多），使液面計示值恢復“零”值。注意在拉桿下移過程中，在液面計浸入液氮與液面計示值恢復“零”值之間稍有滯后，切不可一味將拉桿下移。（4）超導轉變曲線的測量。當紫銅恒溫塊的溫度降低到130K附近時，開始測量超導體電阻以及這時伯電阻電壓。測量點的選取可視電阻變化的快慢而定。在發(fā)生超導轉變的過程中，液面變化不大，而超導樣品電阻卻隨著溫度降低迅速減小，因此要密切監(jiān)測超導樣品電阻的變化。由于電路中亂真電動勢不隨電流方向的反向而改變，故當樣品電阻接近零時，可利用電流反向后的電壓是否改變來判定超導樣品的零電阻溫度。具體做法是，先在正向電流下測量超導體的電壓，然后按下電流反向開關按鈕，重復上述測量，若兩次測量所得到的數(shù)據(jù)相同，則表明超導樣品達到了零電阻狀態(tài)。實驗數(shù)據(jù)記錄集處理：（1）實驗數(shù)據(jù)記錄如下：溫度T(K)鉗電阻（Q）硅二極管正向電壓（V）溫差電偶電動勢（V）樣品電壓（V）樣品電阻(X10"-3Q)287.488109.120.51225.0250.0761.516264.25399.30.57244.1070.061.197239.69388.920.63613.220.0551.097212.97977.630.70462.4590.0511.017189.08267.530.76381.9120.0460.918169.41959.220.81221.3440.0430.858153.94552.680.85011.2130.040.798141.33447.350.87960.9890.0380.758131.91743.370.90190.9510.0360.718123.18639.680.92210.8370.0350.698116.41936.820.93140.6710.0330.658107.92533.230.95230.5340.030.599103.00331.150.96480.4210.0270.53999.90329.840.96920.3740.0210.41997.23028.710.97420.3240.0250.49996.18928.270.97670.2940.0190.37992.21426.590.98860.230.0140.27991.95326.480.98920.2260.0070.140

91.85926.440.98920.2240.0040.08091.76426.40.98960.2230.0030.06091.69326.370.98970.2220.0020.04091.64626.350.98990.2210.0010.02091.57526.320.990.220.0010.02091.52726.30.99020.2160.0010.020【注】1、鉑電阻溫度計（標準電阻100Q，其上電壓100.00mv）工作電流為1mA,硅二極管溫度計（標準電阻10KQ，其上電壓1.0000v）H作電流為100UA,超導樣品標準電阻10Q，其上電流為50.123mA。2、根據(jù)伯電阻的電阻值來確定溫度T的值：T=aR+b（其中a=2.3661K/Q,b=29.299K）（2）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出超導體電阻-溫度曲線，鉗電阻電阻-溫度曲線，硅二極管正向電壓-溫度曲線，溫差電偶溫度計電動勢-溫度曲線如下：EMSES.6TEMSES.6T6r--6.m6CT-Ir—IHETETEr-JTLng.sIEg.sszs;lf.g5SE2Wgsr—IEUF--ME120——i~Ftrii■□?E-禹莒邑ms」MESEL120——i~Ftrii■□?E-禹莒邑ms」MESEL3京-一二Mc—lmsTrgfnLrls.sISO.SI86.SO3E倒.WmgE56京籬/t?出京ES-TEqss:￡.h-曰=SSS6尋粵景一E5.鬲一m口6邑曰=SSS6尋粵景一E5.鬲一m口6邑罵.罰學胃宗SIS.SI崇一66目6皆字昌M依一M1EE字6169E.M核-JUELnELnwsS0-5SHbs.mESTSSmsi6SCI6■E(3)結論：1、由圖5可看出在達到合適溫度后，樣品由正常狀態(tài)迅速轉變?yōu)槌瑢顟B(tài)。超導起始轉變溫度Tc,onse為189.08K，超導轉變溫度Tcm為103.00K。2、在90-300K溫區(qū)，最好選用Si二極管溫度計，因為它具有良好的線性關系，而伯電阻溫度計及溫差電偶溫度計在此溫區(qū)都不是線性的，測量使用不方便。3、由圖可看出在90K-300K溫區(qū)中，Si二極管溫度計具有負的溫度系數(shù)，且具有很好的線性關系，由圖可看出溫差電偶電動勢隨溫度升高而增加，具有正的溫度系數(shù)，但不是線性關系。七、實驗討論該實