高温超导材料临界转变温度测定

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1、高温超导材料临界转变温度的测定1911年荷兰物理学家卡默林⋅翁纳斯(KamerlingOnnes)首次发现了超导电性。这以后，科学家们在超导物理及材料探索两方面进行了大量的工作。二十世纪五十年代BCS超导微观理论的提出，解决了超导微观机理的问题。二十世纪六十年代初，强磁场超导材料的研制成功和约瑟夫森效应的发现，使超导电技术在强场、超导电子学以及某些物理量的精密测量等实际应用中得到迅速发展。1986年瑞士物理学家缪勒(KarlAlexMuller)等人首先发现La-Ba-Cu-O系氧化物材料中存在的高温超导电性，世界各界科学家在几个月的时间内相

2、继取得重大突破，研制出临界温度高于90K的Y-Ba-Cu-O（也称YBCO）系氧化物超导体。1988年初又研制出不含稀土元素的Bi系和Tl系氧化物超导体，后者的超导完全转变温度达125K。超导研究领域的一系列最新进展，特别是大面积高温超导薄膜和临界电流密度高于105A/cm2Bi系超导带材的成功制备，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。测量超导体的基本性能是超导研究工作的重要环节，临界转变温度Tc的高低则是超导材料性能良好与否的重要判据，因此Tc的测量是超导研究工作者的必备手段。图3-6-1一般金属的电阻率温度关系一、实验目的1．通

3、过对氧化物超导材料的临界温度Tc两种方法的测定，加深理解超导体的两个基本特性；2．了解低温技术在实验中的应用3.了解几种低温温度计的性能及Si二极管温度计的校正方法；4．了解一种确定液氮液面位置的方法。二、实验原理温度T（K）图3-6-2汞的零电阻现象1．超导现象及临界参数1）零电阻现象我们知道，金属的电阻是由晶格上原子的热振动（声子）以及杂质原子对电子的散射造成的。在低温时，一般金属（非超导材料）总具有一定的电阻，如图3-6-1所示，其电阻率ρ与温度T的关系可表示为：(3.6.1)式中ρ0是T＝0K时的电阻率，称剩余电阻率，它与金属的纯度和

4、晶格的完整性有关，对于实际的金属，其内部总是存在杂质和缺陷，因此，即使使温度趋于绝对零度时，也总存在ρ0。图3-6-3正常－超导转变1911年，翁纳斯在极低温下研究降温过程中汞电阻的变化时，出乎意料地发现，温度在4.2K附近，汞的电阻急剧下降好几千倍后来有人估计此电阻率的下限为3.6×10-23Ω⋅cm，而迄今正常金属的最低电阻率仅为10-13Ω⋅cm，即在这个转变温度以下，电阻为零（现有电子仪表无法量测到如此低的电阻），这就是零电阻现象，如图3-6-2所示。需要注意的是只有在直流情况下才有零电阻现象，而在交流情况下电阻不为零。目前已知包括金

5、属元素、合金和化合物约五千余种材料在一定温度下转变为具有超导电性。这种材料称为超导材料。发生超导转变的温度称为临界温度，以TC表示。由于受材料化学成分不纯及晶体结构不完整等因素的影响，超导材料的正常一超导转变一般是在一定的温度间隔中发生的。如图3-6-3，用电阻法（即根据电阻率变化）测定临界温度时，我们通常把降温过程中电阻率－温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度，把临界温度Tc定义为待测样品电阻率从起始转变处下降到一半时对应的温度（），也称作超导转变的中点温度。把电阻率变化从10%到90%所对应的温度间隔定义为转变宽度，记作∆Tc，

6、电阻率值刚刚完全降到零时的温度称为完全转变温度。∆Tc的大小一般反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品∆Tc较窄，反之较宽。2）完全抗磁性当把超导体置于外加磁场中时，磁通不能穿透超导体，超导体内的磁感应强度始终保持为0，超导体的这个特性称为迈斯纳效应。注意：完全抗磁性不是说磁化强度M和外磁场B等于零，而仅仅是表示M=−B/4π。超导体的零电阻现象与完全抗磁性的两个特性既相互独立又有紧密的联系。完全抗磁性不能由零电阻特性派生出来，但是零电阻特性却是迈斯纳效应的必要条件。超导体的完全抗磁性是由其表面屏蔽电流产生的磁通密度在导体内部完全抵消了由外磁场

7、引起的磁通密度，使其净磁通密度为零，它的状态是唯一确定的，从超导态到正常态的转变是可逆的。利用迈斯纳效应，测量电感线圈中的一个样品在降温时内部磁通被排出的情况，也可确定样品的超导临界温度，称电感法。用电阻法测Tc较简单，用得较多，但它要求样品有一定形状并能连接电引线，而且当样品材料内含有Tc不同的超导相时，只能测出其中能形成超导通路的临界温度最高的一个超导相的Tc。用电感法测Tc则可以弥补电阻法的不足，即可以把不同的超导相同时测出。3）临界磁场图3-6-5第Ⅱ类超导体临界磁场随温度的变化关系图3-6-4第Ⅰ类超导体临界磁场随温度的变化关系把磁

8、场加到超导体上之后，一定数量的磁场能量用来建立屏蔽电流以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到某一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许磁场穿透，即破坏了超导电