高临界温度超导体临界温度的电阻测量法刘洋
高临界温度超导体 临界温度的电阻测量法 刘洋
【实验目的】α利用动态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系。α通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法。α学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理α选用稳态法测量临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系并与动态进行比较
【实验目的】 利用动态法测量高临界温度氧化物超导材料的电 阻率随温度的变化关系。 通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧 化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法。 学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的 消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理。 选用稳态法测量临界温度氧化物超导材料的电阻 率随温度的变化关系并与动态进行比较
【实验原理】o1.临界温度Tc的定义及其规定超导体具有零电阻效应，通常把外部条件O（磁场、电流、应力等）维持在足够低值时电阻突然变为零的温度称为超导临界温度。起始温度T s为R一T曲线开始偏离线性所对应的温度；中点温度Tm为电阻下降至起始温度电阻Rs的一半时的温度；零电阻温度T为电阻降至零时的温度。为了说明样品的性能，目前发表的文章中一般均给出零电阻温度T（R=0）的数值，有时甚至同时给出上述的起始温度、中点温度及零电阻温度
【实验原理】 1．临界温度Ｔc的定义及其规定 超导体具有零电阻效应，通常把外部条件 （磁场、电流、应力等）维持在足够低值时电阻 突然变为零的温度称为超导临界温度。起始温度 Ｔｓ为Ｒ—Ｔ曲线开始偏离线性所对应的温度； 中点温度Ｔm为电阻下降至起始温度电阻Ｒｓ的 一半时的温度；零电阻温度Ｔ为电阻降至零时的 温度。为了说明样品的性能，目前发表的文章中 一般均给出零电阻温度Ｔ（Ｒ＝０）的数值，有 时甚至同时给出上述的起始温度、中点温度及零 电阻温度
【实验原理】恒流电源RPR0.9R超导样品1/2RAT0.1 R,T接电位差计或直流微伏计T(R=O)T图1超导材料的电阻温度曲线图2四端子接线
【实验原理】
【实验原理】○2.样品电极的制作目前所研制的高Tc氧化物超导材料多为质O地松脆的陶瓷材料，即使是精心制作的电极，申极与材料间的接触电阻也常达零点几欧姆，这与零电阻的测量要求显然是不符合的。为消除接触电阻对测量的影响，常采用上页图所示的四端子法。两根电流引线与直流恒流电源相连，两根电压引线连至数字电压表或经数据放大器放大后接至X-Y记录仪，用来检测样品的电压。本实验所用超导样品为商品化的银包套铋锶钙铜氧高TC超导样品，四个电极直接用焊锡焊接
【实验原理】 2．样品电极的制作 目前所研制的高Ｔc氧化物超导材料多为质 地松脆的陶瓷材料，即使是精心制作的电极，电 极与材料间的接触电阻也常达零点几欧姆，这与 零电阻的测量要求显然是不符合的。为消除接触 电阻对测量的影响，常采用上页图所示的四端子 法。两根电流引线与直流恒流电源相连，两根电 压引线连至数字电压表或经数据放大器放大后接 至Ｘ-Ｙ记录仪，用来检测样品的电压。本实验 所用超导样品为商品化的银包套铋锶钙铜氧高Tc 超导样品，四个电极直接用焊锡焊接
【实验原理】O3.温度控制及测量临界温度Tc的测量工作取决于合理的温度控制及正确的温度测量。对三相点和沸点之间的温度，只要把样品直接浸入液氮，并对密封的液氮容器抽气降温，一定的蒸汽压就对应于一定的温度。在77K以上直至300K，常采用如下两种基本方法。（1）普通恒温器控温法。（2）温度梯度法。本实验的恒温器设计综合上述两种基本方法：既能进行动态测量，也能进行定点的稳态测量，以便进行两种测量方法和测量结果的比较
【实验原理】 3．温度控制及测量 临界温度Ｔc的测量工作取决于合理的温度 控制及正确的温度测量。对三相点和沸点之间的 温度，只要把样品直接浸入液氮，并对密封的液 氮容器抽气降温，一定的蒸汽压就对应于一定的 温度。在７７Ｋ以上直至3００Ｋ，常采用如下 两种基本方法。 （1）普通恒温器控温法。 （2）温度梯度法。 本实验的恒温器设计综合上述两种基本方法， 既能进行动态测量，也能进行定点的稳态测量， 以便进行两种测量方法和测量结果的比较
【实验原理】o4.热电势及热电势的消除测量中出现的热电势主要来源于样品上的温0度梯度。样品本身有一定的热阻也有一定的热容当均温块温度变化时，样品温度的弛豫时间与上述热阻及热容有关，热阻及热容的乘积越大，弛豫时间越长。特别在动态测量情形，样品各处的温度弛豫造成的温度分布不均匀不能忽略。样品上的温差么T会引起载流子的扩散，产生热电势E。(1)E=SAT?oS是样品的微分热电势，其单位是μV·K一1
【实验原理】 4．热电势及热电势的消除 测量中出现的热电势主要来源于样品上的温 度梯度。样品本身有一定的热阻也有一定的热容。 当均温块温度变化时，样品温度的弛豫时间与上 述热阻及热容有关，热阻及热容的乘积越大，弛 豫时间越长。特别在动态测量情形，样品各处的 温度弛豫造成的温度分布不均匀不能忽略。样品 上的温差ΔＴ会引起载流子的扩散，产生热电势 Ｅ。 Ｅ＝ＳΔＴ （1） Ｓ是样品的微分热电势，其单位是μＶ·Ｋ－1
【实验原理】α为消除热电势对测量电阻率的影响，通常采取下列措施：（1）对于动态测量。应将样品制得薄而平坦。样品的电极引线尽量采用直径较细的导线。电极引线与均温块之间要建立较好的热接触，以避免外界热量经电极引线流向样品。同时样品与均温块之间用导热良好的导电银浆粘接，以减少热弛豫带来的误差。另一方面，温度计的响应时间要尽可能小，与均温块的热接触要良好，测量中温度变化应该相对地较缓慢
【实验原理】 为消除热电势对测量电阻率的影响，通常采取下 列措施： （1） 对于动态测量。应将样品制得薄而平坦。 样品的电极引线尽量采用直径较细的导线。电极 引线与均温块之间要建立较好的热接触，以避免 外界热量经电极引线流向样品。同时样品与均温 块之间用导热良好的导电银浆粘接，以减少热弛 豫带来的误差。另一方面，温度计的响应时间要 尽可能小，与均温块的热接触要良好，测量中温 度变化应该相对地较缓慢
【实验原理】(2）对于稳态测量。当恒温器上的温度计达到平衡值时，应观察样品两侧电压电极间的电压降及叠加的热电势值是否趋向稳定，稳定后可以采用如下方法。1，电流换向法：将恒流电源的电流I反向，分别得到电压测量值UA、UB，则超导材料测电压电极间的电阻为R=[UA-U|21电流通断法：切断恒流电源的电流，此时测电压电极间量到的电压即是样品及引线的积分热申势，通电流后得到新的测量值，减去热电势即是真正的电压降。若通断电流时测量值无变化，表明样品已经进入超导态
【实验原理】 （2） 对于稳态测量。当恒温器上的温度计达到 平衡值时，应观察样品两侧电压电极间的电压降 及叠加的热电势值是否趋向稳定，稳定后可以采 用如下方法。 ① 电流换向法：将恒流电源的电流Ｉ反向，分别 得到电压测量值ＵA、ＵB，则超导材料测电压电 极间的电阻为 ② 电流通断法：切断恒流电源的电流，此时测电 压电极间量到的电压即是样品及引线的积分热电 势，通电流后得到新的测量值，减去热电势即是 真正的电压降。若通断电流时测量值无变化，表 明样品已经进入超导态。 2I | U U | R A − B =
【实验仪器】O1：低温恒温器实验用的恒温器如下图所示，均温块1是一O块经过加工的紫铜块，利用其良好的导热性能来取得较好的温度均匀区，使固定在均温块上的样品和温度计的温度趋于一致。铜套2的作用是使样品与外部环境隔离，减小样品温度波动。提拉杆3采用低热导的不锈钢管以减少对均温块的漏热，经过定标的铂电阻温度计4及加热器5与均温块之间既保持良好的热接触又保持可靠的电绝缘。测试用的液氮杜瓦瓶宜采用漏热小，损耗率低的产品，其温度梯度场的稳定性较好，有利于样品温度的稳定
【实验仪器】 １．低温恒温器 实验用的恒温器如下图所示，均温块１是一 块经过加工的紫铜块，利用其良好的导热性能来 取得较好的温度均匀区，使固定在均温块上的样 品和温度计的温度趋于一致。铜套２的作用是使 样品与外部环境隔离，减小样品温度波动。提拉 杆３采用低热导的不锈钢管以减少对均温块的漏 热，经过定标的铂电阻温度计４及加热器５与均 温块之间既保持良好的热接触又保持可靠的电绝 缘。测试用的液氮杜瓦瓶宜采用漏热小，损耗率 低的产品，其温度梯度场的稳定性较好，有利于 样品温度的稳定