Transcript 高Tc超导体电温特性
高Tc超导体电阻 —温度特性的测量 唐磊 电科091 学号：09461124 超导托卡马克核聚变实验装置 托卡马克是一个由封闭磁场组成的环形装置，通过在装置内加入 氘和氚并创造一定的条件,使得氘氚发生核聚变反应释放巨大能 量，其原理与太阳的聚变能原理相同。 各种超导材料制成的电线！ 一块磁体漂浮在与它极性 相反的强磁场中，而这个 磁场是由液氮降温的铜氧 化物超导体产生的 研究背景 • 1908年，荷兰物理学家K.Onnes成功的液化氮气，低温区温度达 到4.2K以下，3年后，他在研究固体汞的电阻在低温下的变化情况时 发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻几乎突然降到零，这样电阻出现 “零”的现象称为超导。K.Onnes发现汞的超导电性之后，又发现另 外23种纯金属也具有超导电性，其中Nb的超导温度为9.25K，由于在 液态氮和超导一方面的突出贡献，在1913年K.Onnes获得诺贝尔物理 学奖。此后超导电性的研究取得了一个又一个的成绩，1952年发现硅 化矾超导临界温度为17K，铌锡合金超导临界温度18K。1973年发现 铌鉏合金临界温度23.2K。在1986年以前的74年中，平均每年临界温 度上升0.5K。1986年1月瑞士的J.G.Bednorz和K.A.Maller发现了镧钡-铜-氧化合物进入超导态的开始转变温度达到35K。1987年美籍华 裔朱经武教授报告，Y-Ba-Cu-O系统在80~93K温区可获得稳定的超 导转变，首次实现了液氮沸点以上超导转变。研究还在继续中！ • 年轻的你还在等什么？挥斥方遒，粪土当年万户侯。 超导体发展里程 • 1911年，卡茂林－昂尼斯意外地发现，将汞冷却到－ 268.98℃时，汞的电阻突然消失； • 1986年柏诺兹和缪勒发现了35K 超导的鑭钡铜氧体系； • 1987年初美国吴茂昆（朱经武）等和我国物理所赵忠贤等 宣布了90K 钇钡铜氧超导体的发现，第一次实现了液氮温 度（77 K）这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他 们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖； • 1987年底，我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含 稀土的铊钡铜氧高温超导体； • 1988 年初日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧超导 体； • 1988年2月盛正直等又进一步发现了125K 铊钡钙铜氧超 导体； • 1993年 法国科学家发现了 135K 的汞钡钙铜氧超导体 超导体发展里程 • 至此，高温超导体包括四大类：90K的稀土系，110K 的铋系，125K的铊系，和135K的汞系。它们都含有铜和 氧，因此也总称为铜氧基超导体。它们具有类似的层状结 晶结构，铜氧层是超导层。高温超导体已经取得了实际应 用，开始为人类造福。例如，钇钡铜氧超导体和铋系超导 体已制成了高质量的超导电缆。 • 新的和更高温度超导体的探索工作一直在紧张地进行 着。因为高温超导理论还没有很好的建立，探索工作的进 展是缓慢的。虽然新超导体和更高温度超导性时有报道， 但真正的新突破还没有取得。 临界磁场 逐渐增大磁场到达一 定值后，超导体会从超 导态变为正常态，把破 坏超导电性所需的最小 磁场称为临界磁场，记 为Hc。 H 正常态 Hc(0) 超导态 有经验公式： 2 2 Hc(T)=Hc(0)(1-T /Tc ) Tc T 临界电流 超导体无阻载流的能 力也是有限的，当通过 超导体中的电流达到某 一特定值时，又会重新 出现电阻，使其产生这 一相变的电流称为临界 电流，记为Ic。目前，常 用电场描述Ic(V) ，即当 每厘米样品长度上出现 电压为1V时所输送的电 流。 V 失超 Ic(V) I 第一类超导 体 1.只有一个临界磁场BC，T<TC，进 入超导态。 2.外加一磁场，B<BC,完全抗磁性， 超导态。 B从高于BC降到B<BC,正常态 有2个临界磁场BC1，BC2，(BC1<BC2), 当外界磁场B<BC1时，材料处于超导 第二类超导 态，称为迈斯纳态，具有完全抗磁性； 当BC1<B<BC2时，材料处于超导态和 体 正常态的混合状态，称为混合态； 当B>BC2时，材料进入正常态。 • 超导体中的电子形成了电子对，称为库 伯对。当温度低到接近绝对温度几K时，由 于热躁动几乎消失，一个自由电子会对另 一个自由电子产生吸引力，从而形成库伯 对，当库伯对中的一个电子受到晶格作用 而改变动量时，另一个电子也同时受到晶 格的作用而发生相反的动量改变，这样库 伯对的总动量不变，即晶格既不减慢也不 加快库伯对的运动，在宏观上表现为超导 体对电流的电阻为零。 • 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。 实验内容 • 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、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。 • 4、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. • 5、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, 问题罗列 • .测量电流为什么必须反向,不反向会发生 什么问题? • 答：在直流低电势测量中，由于构成电路的各部件和导 线材料存在不均匀性和温差，即使电路没有外电源，仍 然会有温差电动势存在，它不随电流的反向而改变，实 验中必须将电流反向以检测是否有温差电动势的影响， 电流反向时，如果超导样品电压不变，则证明超导体电 阻为零；仪器灵敏度越高，则以上判定越准确，测量精 度就越高。 • 什么是迈斯纳效应? • • 答： 迈斯纳（Miesser）效应又叫完全抗磁性, 迈斯纳 （W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsebfekd）发现， 超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出 体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加 磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导 体就把全部磁通量排出体外。B=0(H+M)=0, 超导态样品体内的磁场时发现，不论是先降温使样品进 入超导态再加磁场，还是先加磁场再降温，当样品处于 超导态时，体内的磁感应强度总是等于零，磁感应线完 全被排出体外。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。 • 试比较理想导体与超导体的区别 • 答：理想导体内部电磁场为0，表面是个等电位面。 理由：有磁场就会使导体内部的电荷移动，电荷 分布不均必然也会产生磁场，最终结果就是二者 互相抵消，达到平衡，合场强为0，而不是真的没 有磁场。因此，根据这个可以用金属罩进行电磁 屏蔽，防止外部磁场对内部电子设备的干扰。 • 超导体就是导电时电阻为0，即没有电阻，没有电 能消耗 实验图片 未来趋势 • 目前，第一代超导线材——铋氧化物线材已达到商业化水 平。东京电力公司试制成功长100米、3相、66千伏的超 导电缆，美国不久也将进行100米超导电缆的安装试验。 日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变压器、 超导限流器和超导蓄电装置等，预计5年后达到目标。日 本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中，预计将从 明年开始进行研究和试制。目前各国都在积极研究开发第 二代超导线材——钇系列线材。其中，包含钇的 YBCO(钇铋铜氧)和包含钕的NBCO(钕铋铜氧)这两种线材， 由于有更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。 • 日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，2005 年前后将会开发成功，并取代铋系列超导线材而应用在机 器设备上。钇系列超导材料的制造技术已经基本确立起来， 正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有 前途的超导电子元件：其一是超导量子干涉元件，其二是 单一磁通量子元件。前者由于能够测量极其微 弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方 面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望 被用作新的信息处理元件,但关键是要大幅度提高这种元件 的集成度。 C60超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比 质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、 临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有 望实用化。 C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材 料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性 和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现， 还可能成为室温超导体。 第六种物质形态诞生 有助开发下一 代超导体 ← 第 六 种 物 质 形 态 科学家表示，在继气体、固体、液体、等离子体以及1995年创造出的 玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC,Bose-Einstein Condensate)之后，科学家 创造出世界上第六种物质形态：费密冷凝物。专家预测，这种崭新的 物质形态的出现有助于下一代超导体的诞生。下一代超导体技术料可 在发电、磁浮列车和众多其它领域大显身手。 这种物质不是超导体，但却处在两种物质形态之间，它可以帮助科学 界将这两种有趣的性质连结起来。” 感想 • 高Tc这个实验操作挺简单的，当看到液态氮 气沸腾的样子，就不禁想自己动手玩一下，实验 的操作也很简洁，很多工作全是系统在程序的设 计下自动完成。但它所涉及的却是一个很有前景 的研究领域——超导体，一个在我们中学阶段就 不断出现的词汇，当时还是迷迷糊糊，通过本次 实验，我收获了一个工具软件Origin的操作，初步 体会了它强大的功能，将它和Matlab做了浅显的 比较，了解了什么是超导体，原理，电性，在现 实中的应用，技术对我们日常生活产生了很深远 的影响，充实自身知识，明确科学信仰，励志成 为科学的拥趸，对作为社会主义公民的我们有着 巨大意义。 谢谢观赏！