超导材料的电磁特性 近十几年来,高温超导材料的研究可谓轰轰烈烈。 YBacuo、 BiSr cacho等系列的超导转变 温度T,超导电流等参数有了很大提高。高温超导线材与薄膜在应用方面也有了很大的突破。 为了让学生及时了解和接触一些目前处于科学前沿的东西,有必要将“超导材料的电磁特性” 实验引入到近代物理实验课程当中。 、实验目的 1、通过做本实验使学生对当今世界广泛关注的新型超导材料(YBa2Cu307x)有初步的了解 2、测量超导材料电阻率随温度变化的特性曲线。 3、观察超导材料的迈斯纳效应 4、了解超导材料的一些应用。 二、实验原理 1、超导转变温度和迈斯纳效应 某些金属被冷却到极低温度时呈现出异乎寻常的电、磁综合特性。所谓极低温度是由荷兰物理 学家昂尼斯(HK0nes)于1908年利用液氦所能达到的极低温 度。3年后1911年他发现纯汞(Hg)的电阻在这样低的温度下(约 42K),小到了无法测量的程度。在这一温度下,汞的电阻不是平 稳地下降而是急剧下降当低于这一温度时汞便完全不显示电 阻了,见图1。昂尼斯认识到,汞在4K以下时便进入一种新的状 0.10 态,这种新的状态称为“超导态”。相应的物质(如Hg)称为超导体 后来发现许多金属及其化合物都具有超导电性。超导体失去电 阻的温度称为超导转变温度或临界温度,用T表示。至1973年人 们发现超导转变温度最高的是NbGe,临界温度为23K,从此以后 4.004.204.40(K) 一直没有进展。1986年1月IBM公司在瑞士苏黎士实验室的两名 研究员( Bednorz和Mler)发现了30K的超导材料。这种材料是 图1水银样品电阻与绝对温度关系 种氧化铜和钇加少量钡和锶、或钙的陶瓷材料,以此为基础在国 际上开始了高临界温度超导材料的研究热潮,1986年底便把超导材料的转变温度提高到了88K,首次 突破使用液氮温度(7K)的大关。这两名硏究员为此获得1987年诺贝尔物理奖 在超导态下,电阻是真正变为零了呢还是仅仅 降低到了一很小的值?当然,实验永远不能证明电 (a)理想导体 阻确实为零。任何样品的电阻可能总是恰好小于仪 器的灵敏度允许探测到的电阻。一般测量方法是把 T<Tc T<Tc(H-O 电流通入超导体,再用灵敏伏特计连到线的两端,测 试其电压便能测得超导体的电阻本实验便采取此 )理想导体 方法(所谓四线法)测试。更为灵敏的实验是给超导 T<T(加H)T<T(H-0) 环内通一电流经过长时间观察测量后,看电流有 没有衰减。设环的自感为L,若t=0时环中电流为(O (c)超导体 那么,在稍后的时间t电流应衰减为t)=(OeRL), 其中R为环的电阻。我们能测量环行电流产生的磁 TTe(加H T<T再→n 场并由此观测是否随时间衰减。测量磁场变化不从 图2超导的完全抗磁性 电路中引出能量,从而我们应能用此方法测试电流
超导材料的电磁特性 近十几年来，高温超导材料的研究可谓轰轰烈烈。YBaCuO、BiSrCaCuO等系列的超导转变 温度Tc，超导电流等参数有了很大提高。高温超导线材与薄膜在应用方面也有了很大的突破。 为了让学生及时了解和接触一些目前处于科学前沿的东西，有必要将“超导材料的电磁特性” 实验引入到近代物理实验课程当中。 一、实验目的 1、通过做本实验使学生对当今世界广泛关注的新型超导材料(YBa2Cu307-x)有初步的了解。 2、测量超导材料电阻率随温度变化的特性曲线。 3、观察超导材料的迈斯纳效应。 4、了解超导材料的一些应用。 二、实验原理 1、超导转变温度和迈斯纳效应 某些金属被冷却到极低温度时呈现出异乎寻常的电、磁综合特性。所谓极低温度是由荷兰物理 学家昂尼斯(H.K.0nnes)于1908年利用液氦所能达到的极低温 度。3年后,1911年他发现纯汞(Hg)的电阻在这样低的温度下(约 4.2K),小到了无法测量的程度。在这一温度下,汞的电阻不是平 稳地下降,而是急剧下降,当低于这一温度时,汞便完全不显示电 阻了,见图1。昂尼斯认识到,汞在4.2K以下时便进入一种新的状 态,这种新的状态称为“超导态”。相应的物质(如Hg)称为超导体, 后来发现许多金属及其化合物都具有超导电性。超导体失去电 阻的温度称为超导转变温度或临界温度,用Tc表示。至1973年人 们发现超导转变温度最高的是Nb3Ge,临界温度为23K,从此以后 一直没有进展。1986年1月IBM公司在瑞士苏黎士实验室的两名 研究员(Bednorz和Műller)发现了30K的超导材料。这种材料是一 种氧化铜和钇加少量钡和锶、或钙的陶瓷材料,以此为基础,在国 际上开始了高临界温度超导材料的研究热潮，1986年底便把超导材料的转变温度提高到了88K,首次 突破使用液氮温度(77K)的大关。这两名研究员为此获得1987年诺贝尔物理奖。 在超导态下,电阻是真正变为零了呢,还是仅仅 降低到了一很小的值?当然,实验永远不能证明电 阻确实为零。任何样品的电阻可能总是恰好小于仪 器的灵敏度允许探测到的电阻。一般测量方法是把 电流通入超导体,再用灵敏伏特计连到线的两端,测 试其电压便能测得超导体的电阻,本实验便采取此 方法(所谓四线法)测试。更为灵敏的实验是,给超导 环内通一电流,经过长时间观察测量后，看电流有 没有衰减。设环的自感为L,若t=0时环中电流为i(O), 那么,在稍后的时间t,电流应衰减为i(t)=i(O)e-(R/L)t , 其中R为环的电阻。我们能测量环行电流产生的磁 场并由此观测是否随时间衰减。测量磁场变化不从 电路中引出能量,从而我们应能用此方法测试电流 图1 水银样品电阻与绝对温度关系 图2 超导的完全抗磁性
是否无限地循环下去。根据超导闭合线圈中环行电流不衰减的事实。Gllp得出结论,超导金属的电 阻率小于102欧姆·米(即小于室温下铜电阻率的1018,由此看来超导体的电阻视为零是正当的 超导材料除失去电阻这一特性外还有另一个重要的特性是完全逆磁性。按麦克斯韦方程:V E=-0B/at既然超导体内没有电阻,则可视为理想导体,因此V×E为零,势必磁感应强度不随时间 变化即∂B∂t=0。超导体的磁感应强度应由初始条件决定当一块金属处于超导态,然后施加磁场, 其数值小于临界磁场Bε,此时超导体内B=0,没有磁感应线,如图2(b)。假如此超导体在高于T的温度 时先处在磁场中,其体内有磁感应强度B=B,其值小于B,然后让它冷却至T以下的温度,此金属变 为超导态。按上述理论,超导体内将保持原有的磁感应强度,如图2(a)。事实上,1933年迈斯纳和奥 森菲尔德做了实验,在小磁场中把金属冷却变成超导态时,超导体内的磁感应线完全被排斥出来保 持体内磁感应强度为零,如图2(c)所示。 总之,实验表明,不论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线当它进入超导态后,只要外磁场 B小于临界磁场B超导体内磁感应强度总是等于零,即B=B0+μ0M=0。由此求得金属在超导电状态的 磁化率为κ=μMB=-1,是负值。以上B是外加磁场H在真空中的磁感应强度。所以说,超导体是 个“完全抗磁体,超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应。此效应的意义在于否定了把超导体简单地看 作理想导体的设想这还指明了超导态是一个热力学平衡的状态,同怎样进入超导态的途径无关 2、关于超导态现象的两种理论解释。 1)、二流体模型 二流体模型是1934年为了解释超导体的热力学特性提出来的。该模型认为超导体内的传导电子 可分成两类正常的传导电子和超导电子(或超流电子)。正常传导电子就是普遍意义下的自由电子超 导电子则是特殊状态下的电子超导电子处在一种“凝聚”状态所谓“凝聚”是指它们聚集在一最低能 量状态,其特点是不发生散射。该模型认为两类电子占据同一体积互相渗透,彼此独立地运动,超导 电子浓度关系的经验定律为 ns=n[l-(T/T) 式中n是正常电子和超导电子的总浓度。当7=0K时,所有电子都变成超导电子。当7=T时,所有电子 都变成正常电子。可把nh作为有序化程度的一个量度,称之为有序参量或有序度。 流体模型可以说明零电阻特性。当T<Tc时超导电子出现,由于它们不被散射,因而具有无限大 的电导率;金属内不能存在电场正常电子不负载电流从而导致整个样品显示无限大的电导率。 2)、伦敦方程 在二流体模型基础上,195年伦敦兄弟提出了两个描述超导电流和电磁场关系的方程,成功地解 释了零电阻现象和迈斯纳效应,并预言了一些新结果。 a.伦敦第一方程 根据二流体模型,超导电子的运动不受阻力,在电场作用下的运动方程为 1一=-e 其中e,m是一个库柏对的有效电荷和有效质量,分别为2e和2m。因为超导电子实际上是两个结合 在一起的电子对,即库柏对。超导电子的电流密度 J n为超导电子浓度,由(2)和(3)两式可得 n,e
是否无限地循环下去。根据超导闭合线圈中环行电流不衰减的事实。Gallop得出结论,超导金属的电 阻率小于10-26欧姆·米(即小于室温下铜电阻率的10-18 , 由此看来超导体的电阻视为零是正当的。 超导材料除失去电阻这一特性外,还有另一个重要的特性是完全逆磁性。按麦克斯韦方程:▽× E= − B/ t,既然超导体内没有电阻，则可视为理想导体，因此▽×E为零,势必磁感应强度不随时间 变化,即 B/ t=0。超导体的磁感应强度应由初始条件决定,当一块金属处于超导态,然后施加磁场， 其数值小于临界磁场Bc ,此时超导体内B=0, 没有磁感应线, 如图2(b)。假如此超导体在高于Tc的温度 时先处在磁场中, 其体内有磁感应强度B=B0 , 其值小于Bc ,然后让它冷却至Tc以下的温度, 此金属变 为超导态。按上述理论,超导体内将保持原有的磁感应强度, 如图2(a)。事实上，1933年,迈斯纳和奥 森菲尔德做了实验, 在小磁场中把金属冷却变成超导态时,超导体内的磁感应线完全被排斥出来,保 持体内磁感应强度为零, 如图2(c)所示。 总之,实验表明,不论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线,当它进入超导态后,只要外磁场 |B0|小于临界磁场Bc,超导体内磁感应强度总是等于零,即B=B0+μ0M=0。由此求得金属在超导电状态的 磁化率为χ=μ0M/B0= −1, 是负值。以上B0是外加磁场H在真空中的磁感应强度。所以说, 超导体是一 个“完全抗磁体",超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应。此效应的意义在于否定了把超导体简单地看 作理想导体的设想,这还指明了超导态是一个热力学平衡的状态,同怎样进入超导态的途径无关。 2、关于超导态现象的两种理论解释。 1)、二流体模型 二流体模型是1934年为了解释超导体的热力学特性提出来的。该模型认为超导体内的传导电子 可分成两类:正常的传导电子和超导电子(或超流电子)。正常传导电子就是普遍意义下的自由电子,超 导电子则是特殊状态下的电子,超导电子处在一种“凝聚”,状态,所谓“凝聚”是指它们聚集在一最低能 量状态,其特点是不发生散射。该模型认为:两类电子占据同一体积,互相渗透,彼此独立地运动, 超导 电子浓度关系的经验定律为 [1 ( ) ] 4 ns = n − T Tc (1) 式中n是正常电子和超导电子的总浓度。当T=0K时,所有电子都变成超导电子。当T=Tc时, 所有电子 都变成正常电子。可把ns/n作为有序化程度的一个量度, 称之为有序参量或有序度。 二流体模型可以说明零电阻特性。当T<Tc时超导电子出现,由于它们不被散射,因而具有无限大 的电导率;金属内不能存在电场,正常电子不负载电流,从而导致整个样品显示无限大的电导率。 2)、伦敦方程 在二流体模型基础上,1955年伦敦兄弟提出了两个描述超导电流和电磁场关系的方程,成功地解 释了零电阻现象和迈斯纳效应,并预言了一些新结果。 a. 伦敦第一方程 根据二流体模型,超导电子的运动不受阻力,在电场作用下的运动方程为 e v dt dv m = − (2) 其中 * e , * m 是一个库柏对的有效电荷和有效质量, 分别为2e和2m。因为超导电子实际上是两个结合 在一起的电子对, 即库柏对。超导电子的电流密度 * n e J s = − s (3) s n 为超导电子浓度, 由(2)和(3)两式可得 E J * * 2 m n e dt d s s = (4)
在稳定情况下dJdt=0,有E=0,即超导体内无电场。正常电流J=0,E=0,这时超导体内只有超导电子贡 献的超导电流因而表现为没有电阻的性质。所以(4)式可说明超导体的零电阻性也称为伦敦第一方 程 伦敦第二方程 把(4)式代人麦克斯韦方程 aB dV ne dB 得 J B的解依赖于初始条件。为了说明迈斯纳效应,伦敦假定超导体满足方程 ne V×J, 即伦敦第二方程。将(7)式代人麦克斯韦方程 B=0J, 利用恒等式 V×V×B=V(v.B)-V2B=-V2B 得超导体内B满足方程 V-B=-B 式中 2=m/uon,e 可以普遍地证明上述方程要求在超导体内部B从表面很快地下降。为了说明上式的意义我们考 虑超导体占满x>0的空间的简单情况,并设磁场沿y方向,见图3,这时(10)式简化为 a-B B (12) 它的解为 B,(x)=B,(Oe-2 B(O)实际上是超导体表面磁场,(13)式说明在超导体内部的磁通 密度按指数规律迅速衰减如图3所示,A称为伦敦穿透深度,是磁 场在超导体内发生显著变化的尺度。按(11)式估算,λ≈10°cm, 与实验值接近,说明仅在超导体表面附近约10°cm的薄层内才有 不为零的磁场。超导体内的磁场实际是零,因此说明了迈斯纳效 应。将(13)式代入(8)式得 =B(Oe 图3超导体表面磁感应强度分布 J。是在表面很薄的一层内产生的沿Z方向的电流,它的作用是产生磁场以抵消沿y方向的外磁场,使超 导体内总是B=0,称它为抗磁电流或屏蔽电流。换言之,正是这样分布的表面层的屏蔽电流,抵消了 深入到超导体内的外磁场,才使超导体始终保持零磁场状态。 因此伦敦理论不仅解释了迈斯纳效应和零电阻特性而且预言了磁场的屏蔽需要一个有限的厚 度,磁场穿透的深度应为10°cm的数量级
在稳定情况下dJs/dt=0, 有E=0,即超导体内无电场。正常电流Jn=0, E=0,这时超导体内只有超导电子贡 献的超导电流,因而表现为没有电阻的性质。所以(4)式可说明超导体的零电阻性,也称为伦敦第一方 程。 2.伦敦第二方程 把(4)式代人麦克斯韦方程 t = − B E (5) 得: dt d m n e dt d s s B J * * 2 = − (6) B的解依赖于初始条件。为了说明迈斯纳效应,伦敦假定超导体满足方程 J B * * 2 m n es s = − (7) 即伦敦第二方程。将(7)式代人麦克斯韦方程 B = 0 J s (8) 利用恒等式 B B - B - B 2 2 = ( ) = (9) 得超导体内B满足方程 B B2 2 1 = (10) 式中 2 * 0 2 * m / n e = s (11) 可以普遍地证明上述方程要求在超导体内部B从表面很快地下降。为了说明上式的意义,我们考 虑超导体占满x>0的空间的简单情况,并设磁场沿y方向,见图3,这时(10)式简化为 y y B x B 2 2 2 1 = (12) 它的解为 / ( ) (0) x y y B x B e − = (13) By(0)实际上是超导体表面磁场, (13)式说明在超导体内部的磁通 密度按指数规律迅速衰减如图3所示,λ称为伦敦穿透深度,是磁 场在超导体内发生显著变化的尺度。按（11）式估算，λ≈10-6 cm， 与实验值接近，说明仅在超导体表面附近约10-6 cm的薄层内才有 不为零的磁场。超导体内的磁场实际是零，因此说明了迈斯纳效 应。将（13）式代入（8）式得 x y y sz B e x B J − = = (0) 1 0 (14) sz J 是在表面很薄的一层内产生的沿Z方向的电流,它的作用是产生磁场以抵消沿y方向的外磁场,使超 导体内总是B=0,称它为抗磁电流或屏蔽电流。换言之，正是这样分布的表面层的屏蔽电流，抵消了 深入到超导体内的外磁场，才使超导体始终保持零磁场状态。 因此,伦敦理论不仅解释了迈斯纳效应和零电阻特性,而且预言了磁场的屏蔽需要一个有限的厚 度,磁场穿透的深度应为10-6 cm的数量级。 图3 超导体表面磁感应强度分布
超导体按其磁化特性可分为二类:第一类超导体只有一个临界磁场B,其磁化曲线如图4所示在 Be 正常态 正Ba混合态 超导态常 戒迈斯纳态态 迈斯纳态混合态 迈斯纳态 外磁场B0BB 温度 外磁场Bo a第一类超导体 b第二类超导体 c第二类超导体 的三个状态 图4两类超导体 超导态具有完全逆磁性。第二类超导体有两个临界磁场,上临界磁场Bε和下临界磁场B,当外磁场Bo 小于Bc1时,同第一类一样。第二类超导体处于迈斯纳状态(即完全抗磁性)体内没有磁感应线穿过当 外磁场B介于B=1和B2之间时第二类超导体处于混合态这时体内有磁感应线穿过,形成许多半径很小 的圆柱形正常区。正常区周围是连通的超导区,整个样品的周围仍有逆磁电流。这样第二类超导体处 在混合态,既具有逆磁性(但B≠0)又仍然没有电阻,新发现的YBa2Cu30x就属于第二类超导体材料。 三、实验仪器与装置 1、系统简介 1314 12 10 低温恒温器 HT288 计算机 图5HT288型高Tc超导体电阻-温度特性测量仪原理示意图 1.超导样品2.半导体温度传感器3加热器4标准电阻56恒流源789.放大器 10比较器11.温度设定器12PID控制器13加热功率控制器14微处理器 H288型高T超导体电阻一温度特性测量仪主要用于高Tc超导材料的电阻一温度特性测量与处 理,亦可用于其它样品电阻一温度特性测量。它由安装了样品的低温恒温器测、控温系统,数据采集 传输和处理系统以及电脑组成通过开关转换既可进行动态法测量,也可进行稳态法测量。动态法测
超导体按其磁化特性可分为二类: 第一类超导体只有一个临界磁场Bc,其磁化曲线如图4所示,在 超导态具有完全逆磁性。第二类超导体有两个临界磁场,上临界磁场Bc1和下临界磁场Bc2,当外磁场B0 小于BC1时,同第一类一样。第二类超导体处于迈斯纳状态(即完全抗磁性),体内没有磁感应线穿过,当 外磁场B0介于Bc1和Bc2之间时,第二类超导体处于混合态,这时体内有磁感应线穿过,形成许多半径很小 的圆柱形正常区。正常区周围是连通的超导区,整个样品的周围仍有逆磁电流。这样第二类超导体处 在混合态，既具有逆磁性(但B 0)又仍然没有电阻，新发现的YBa2Cu307-x就属于第二类超导体材料。 三、实验仪器与装置 1、系统简介 HT288型高Tc超导体电阻一温度特性测量仪主要用于高Tc超导材料的电阻一温度特性测量与处 理,亦可用于其它样品电阻一温度特性测量。它由安装了样品的低温恒温器,测、控温系统,数据采集、 传输和处理系统以及电脑组成.通过开关转换,既可进行动态法测量,也可进行稳态法测量。动态法测 图4 两类超导体 图5 HT288型高Tc超导体电阻-温度特性测量仪原理示意图 1.超导样品 2.半导体温度传感器 3.加热器 4.标准电阻 5.6.恒流源 7.8.9.放大器 10.比较器 11.温度设定器 12.PID控制器 13.加热功率控制器 14.微处理器
量时可分别进行不同电流方向的升温和降温测量,以观察和检测因样品和温度计之间的动态温差造 成的测量误差以及样品及测量回路热电势给测量带来的影响。动态测量数据经本机处理后直接进入 电脑Ⅹ_Y记录仪显示、处理或打印输出,稳态法测量结果经由键盘输入计算机作出R-T特性曲线, 供分析处理或打印输出 2、仪器工作原理 图5为本机工作的原理示意框图。图中所示的低温度恒温器用导热性能良好的紫铜制成,超导样 品及半导体温度传感器置于其上,并形成良好的热接触。加热器是为稳态法测量而设置的当低温度恒 温器处于液氮中或液氮液面以上不同位置时,低温恒温器的温度将有相应的变化。按典型的四端子法 联接的样品及温度传感器分别联接至各自的恒流源和放大器,以减小测量误差。数据经数据采集、处 理传输系统送入电子计算机运算并在显示器上显示。仪器内安装有自动控温系统。它由比较器、温 度设定器、PID控制器及加热功率控制器等部分组成。稳态测量时将所设定的温度值显示在计算机屏 幕上同时自动调整加热功率,使温度平衡。 四、实验操作方法与步骤 1、准备工作 将液氮注入液氮杜瓦瓶,再将装有测量样品的低温恒温器浸入液氮,固定于支架上,并用电缆连接 至Hη288测量仪“恒温器输入”端,再用通讯电缆将测量仪与计算机串行口l联接。 2、开启仪器 开启测量仪器电源,电脑电源待系统启动完成后用鼠标点击电脑屏幕上的“数据采集”图标,进 入数据采集工作程序,电脑屏幕显示“HI288型高Tc超导材料的电阻一温度特性测量仪”,右下角“接 口工作状态”栏交替山现闪烁的“接收”、“发送”“处理”字样,表示仪器与电脑工作正常 3、动态测量 将“动态测量/稳态测量”开关拨至“动态测量”,系统进入动态测量模式 (1)动态自动测量 拨动“自动/手动”开关选择自动工作模式。“自动”指示灯亮“正向反向”指示灯交替闪烁, 表示系统已开始采集数据。在电脑显示器右部“工作参数”栏“样品电流方向”交替显示“正向” 和“反向”字样。提升装有样品的低温恒温器,使其脱离液氮液面,温度将逐渐升高,此时在计算机屏 幕上逐点描出两条电压一温度特性曲线红色的一条表示正向电压降蓝色的一条表示反向电压降在 屏幕右边“工作参数”区域同时显示相应的工作参数值。其含义如下 计数:表示数据采集开始后所有采集到的有效数据的计数值 样品当前温度:表示低温恒温器温度传感器所测到的恒温器当前温度值,单位为(K)。若温度变化 缓慢,此温度值与样品温度值的误差,可以被忽略,因此该温度值即为样品温度值: 样品正向电压值:表示当流过样品的电流为正向时所测得的样品两端的电压降数值,单位为 (mV); 样品反向电压值:表示当流过样品的电流为反向时所测得的样品两端的电压降数值,单位为 mv 样品电流值:表示正向和反向流过样品的电流的平均值单位为(mA) 光标指示值:按下“光标移动”键时,可见一个大“十”字形光标随之移动交点处水平方向的数 值为光标指示温度值,单位为(K)而垂直方向的数值为光标指示电压值,单位为(mV) 改变恒温器与液面的距离可以获得不同变化速率的升降温特性曲线 (2)、动态手动测量
量时可分别进行不同电流方向的升温和降温测量,以观察和检测因样品和温度计之间的动态温差造 成的测量误差以及样品及测量回路热电势给测量带来的影响。动态测量数据经本机处理后直接进入 电脑X一Y 记录仪显示、处理或打印输出,稳态法测量结果经由键盘输入计算机, 作出R-T特性曲线， 供分析处理或打印输出。 2、仪器工作原理 图5为本机工作的原理示意框图。图中所示的低温度恒温器用导热性能良好的紫铜制成,超导样 品及半导体温度传感器置于其上,并形成良好的热接触。加热器是为稳态法测量而设置的.当低温度恒 温器处于液氮中或液氮液面以上不同位置时,低温恒温器的温度将有相应的变化。按典型的四端子法 联接的样品及温度传感器分别联接至各自的恒流源和放大器,以减小测量误差。数据经数据采集、处 理传输系统送入电子计算机运算并在显示器上显示。仪器内安装有自动控温系统。它由比较器、温 度设定器、PID控制器及加热功率控制器等部分组成。稳态测量时将所设定的温度值显示在计算机屏 幕上,同时自动调整加热功率,使温度平衡。 四、实验操作方法与步骤 1、准备工作 将液氮注入液氮杜瓦瓶,再将装有测量样品的低温恒温器浸入液氮,固定于支架上,并用电缆连接 至HT288测量仪“恒温器输入”端,再用通讯电缆将测量仪与计算机串行口l联接。 2、开启仪器 开启测量仪器电源,电脑电源,待系统启动完成后,用鼠标点击电脑屏幕上的“数据采集”图标,进 入数据采集工作程序,电脑屏幕显示“HT288型高Tc超导材料的电阻一温度特性测量仪”，右下角“接 口工作状态”栏交替山现闪烁的“接收”、“发送”“处理”字样,表示仪器与电脑工作正常。 3、动态测量 将“动态测量/稳态测量”开关拨至“动态测量”，系统进入动态测量模式。 （1）动态自动测量 拨动“自动/手动”开关,选择自动工作模式。“自动”指示灯亮,“正向/反向”指示灯交替闪烁, 表示系统已开始采集数据。在电脑显示器右部“工作参数”栏“样品电流方向”交替显示“正向” 和“反向”字样。提升装有样品的低温恒温器,使其脱离液氮液面,温度将逐渐升高,此时在计算机屏 幕上逐点描出两条电压一温度特性曲线,红色的一条表示正向电压降,蓝色的一条表示反向电压降,在 屏幕右边“工作参数”区域同时显示相应的工作参数值。其含义如下: 计数: 表示数据采集开始后所有采集到的有效数据的计数值； 样品当前温度: 表示低温恒温器温度传感器所测到的恒温器当前温度值,单位为(K)。若温度变化 缓慢,此温度值与样品温度值的误差,可以被忽略,因此该温度值即为样品温度值； 样品正向电压值: 表示当流过样品的电流为正向时所测得的样品两端的电压降数值,单位为 (mV)； 样品反向电压值: 表示当流过样品的电流为反向时所测得的样品两端的电压降数值,单位为 (mV)； 样品电流值: 表示正向和反向流过样品的电流的平均值,单位为(mA)； 光标指示值：按下“光标移动”键时,可见一个大“十”字形光标随之移动,交点处水平方向的数 值为光标指示温度值,单位为(K),而垂直方向的数值为光标指示电压值,单位为(mV)。 改变恒温器与液面的距离,可以获得不同变化速率的升降温特性曲线。 （2）、动态手动测量
拨动“自动/手动”开关选择手动工作模式。“手动”指示灯亮拨动“正向/反向”开关可选 择流过样品的电流为正向或反向,同时与之相对应的指示灯亮。根据所选的电流方向在电脑屏幕上 仅描出红色或监色的特性曲线,同时,在“工作参数区”也只显示相应的电压和电流值 稳态测量 将“动态测量稳态测量”开关拨向“稳态测量”时,样品电流方向自动切换功能消失,只能采用 手动”方式转换样品电流方向。调节“温度设定”旋钮,在电脑屏幕下方出现“恒温器设定温度 为XXXX(K)”。为获得满意的稳态温度值,调节恒温器与液氮液面的距离,使加热器的加温与液氮 的降温保持平衡,方可测到比较准确的数值。此过程比较繁琐,必须仔细操作才行。 5、退出测量 按键盘上的ESC键按提示输入文件名(缺省名为HI288CTXT),确认后退出 6、数据处理 点击电脑显示屏“数据处理”图标进入数据处理工作程序,按菜单操作,不再赘述 五、思考与讨论 超导体分几类有几种状态?各是什么状态? 测量电流为什么必须反向不反向会发生什么问题? 3什么是迈斯纳效应? 4进入超导态的物质有哪两种特性? 5什么是高温超导材料? 6试比较理想导体与超导体的区别。 7举例说明超导的应用(可自己设计一些应用) 8用你所掌握的知识分析实验中出现的一些现象(如温差电势及接触电势) 9超导体的零电阻现象是如何测量的? 10试分析超导体零电阻现象
拨动“自动/手动”开关,选择手动工作模式。“手动”指示灯亮,拨动“正向/反向”开关,可选 择流过样品的电流为正向或反向，同时与之相对应的指示灯亮。根据所选的电流方向,在电脑屏幕上 仅描出红色或监色的特性曲线，同时，在“工作参数区”也只显示相应的电压和电流值。 4、稳态测量 将“动态测量/稳态测量”开关拨向“稳态测量”时,样品电流方向自动切换功能消失,只能采用 “手动”方式转换样品电流方向。调节“温度设定”旋钮,在电脑屏幕下方出现“恒温器设定温度 为:XXX.X(K) ”。为获得满意的稳态温度值,调节恒温器与液氮液面的距离,使加热器的加温与液氮 的降温保持平衡,方可测到比较准确的数值。此过程比较繁琐,必须仔细操作才行。 5、退出测量 按键盘上的ESC键,按提示输入文件名(缺省名为HT288C.TXT),确认后退出. 6、数据处理 点击电脑显示屏“数据处理”图标,进入数据处理工作程序,按菜单操作,不再赘述。 五、思考与讨论 1.超导体分几类,有几种状态? 各是什么状态? 2.测量电流为什么必须反向,不反向会发生什么问题? 3.什么是迈斯纳效应? 4.进入超导态的物质有哪两种特性? 5.什么是高温超导材料? 6.试比较理想导体与超导体的区别。 7.举例说明超导的应用(可自己设计一些应用)。 8.用你所掌握的知识分析实验中出现的一些现象(如温差电势及接触电势)。 9.超导体的零电阻现象是如何测量的? 10.试分析超导体零电阻现象
