高温超导转变温度的测定
11990315 杨燕婷
引言 自1911年昂纳斯首先发现超导电性，开拓了一个新的研究领域以来，超导电性机制、超导的应用、探索更高温区的超导体这三大方向的课题一直是世界科学界努力追求的目标。在随后年代里，有关超导理论以及超导的强电和弱电等方面的应用不断取得新进展，但由于当时发现的超导体的临界温度很低（液氦温区），限制了超导的应用，所以寻找高温超导体是全世界科学家梦寐以求的奋斗目标。1986年以来，探索高温超导材料的工作取得了重大进展。世界各地相继现了以钇钡铜氧（YBa2Cu3O）为代表的高临界温度（液氮温区）的氧化物超导体。
摘要 超导体既是完善导体，又是完全抗磁体，因此当超导体材料发生正常态到超导态转变时，电阻消失并且磁通从体内排出，这种电磁性质的显著变化是检测临界温度TC的基本依据。本实验 以钇钡铜氧（YBa2Cu3O）为代表，用FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪测定高温超导转变温度。测量方法是使样品温度缓慢改变并监测样品电性变化，利用此温度与电性的转变曲线而确定TC。
关键词 超导 转变温度 低温 测定
【实验目的】
1．通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.学习使用FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪；
【实验原理】
超导现象及临界参数
1）零电阻现象
图1 一般金属的
电阻率温度关系
T
在低温时，一般金属（非超导材料）总具有一定的电 电 阻，如图1所示，其电阻率 与温度T的关系可表示 阻 为： ︵ 0AT5 （1） 式中0是T＝0K时的电阻率，称剩余电阻率，它与金 属的纯度和晶格的完整性有关，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 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 T (K) 对零度时，也总存在
0。
图2 汞的零电阻现象
零电阻现象，如图2所示。
情况下电阻不为零。
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
完全/ 4。 T
转 TC 转 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。
图3 正常－超导转变
3）临界磁场
把磁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，即破坏了超导电性。致使超导体由超导态转变为正常态的
HC磁场称为超导体的临界磁场，记为HC 。如果 H0 超导体内存在杂质和应力等，则在超导体不同 处有不同的HC ，因此转变将在一个很宽的磁 场范围内完成，和定义TC样，通常我们把H = 超导态 H0/2相应的磁场叫临界磁场。 0 TC T 4）临界电流密度 实验发现当对超导体通以电流时，无阻的图4 第I类超导体临界磁场 超流态要受到电流大小的限制，当电流达到某随温度的变化关系 一临界值IC后，超导体将恢复到正常态。对大
多数超导金属，正常态的恢复是突变的。我们称这个电流值为临界电流IC ，相应的电流密度为临界电流密度JC 。对超导合金、化合物及高温超导体，电阻的恢复不是突变，而是随电流的增加渐变到正常电阻R0。
【实验仪器】
FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪
一、概述
高温超导转变温度测量仪是测量超导体零电阻基本特性的专用实验设备，用以观察、测定超导体的最基本参量——超导临界温度(转变温度)。
由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪具有以下特点：
1）采用常规的四引线法，在恒定电流下测量电阻－温度关系，进而测定转变温度。
2）实验中通过样品提离和浸入液氮来实现温度的升降，样品温度变化范围：液氮（77K）
－室温。
3）样品的电阻－温度转变曲线可以用三种方式记录：连接至X－Y记录仪直接记录；读取
测量仪主机面板上两数字电压表人工记录；连接至计算机进行实时记录。
4）样品电压和温度电压的显示均为三位半数字电压表。通过按钮开关切换可显示样品电流和温度计电流。
【实验步骤】 1、连接电路：将放大器上的航空头分别接到主机上对应的航空插座上。 2、记录数据：开启电源，设置样品电流10mA
打开软件自动采集R-T数据，并手动记录主机面板上温度计电压和样品电压。
3、插入探棒：降温（室温-液氮77K）探棒插入液氮深度影响温度变化速度，注意深度。取出探棒时即为升温过程。
4、处理数据：求样品的阻值Ｒ和对应的样品温度Ｔ。
做Ｒ－Ｔ曲线，并确定超导转变温度Tc △ Tc。
【实验方法】四引线法：
由于氧化物超导样品的室温电阻通常只有101-102左右，而被测样品的电引线很细（为了减少漏热）、很长，而且测量的样品室的温度变化很大（从300K－77K），这样引线电
阻较大而且不稳定。另外，引线与样品的连接也不可避免出现接触电阻。为了避免引线电阻和接触电阻的影响，实验中采用四线法（如图7所示），两根电源引线与恒流源相连，两根电压引线连至数字电压表，用来检测样品的电压。根据欧姆定律，即可得样品电阻，由样品尺寸可算出电阻率。从测得的R-T曲线可定出临界温度TC 。
【安全注意事项】
1．安装或提拉测试探头时，必须十分仔细并注意探头在液氮中位置，防止滑落。
2．不要让液氮接触皮肤，以免造成冻伤。
【数据记录】
1 仪器参数：
（1） 样品：电流=5.4mA
电压显示：U =10000 UT 放大10000倍
2 记录数据：
【具体数据处理】
（1）TC的确定
由上图可读出TC对应的电压=4.0*7.0=28mV
查下表
确定TC=95K
(2)电阻R的确定
由上图 电压=3.75*15/10000=5.625*10^(-3)uV
由于电流=5.4mA
得到电阻R=1.04*10^(-6)(欧姆)
【思考题】
为什么采用四引线法可避免引线电阻和接触电阻的影响？
恒流源通过两根电流引线将待测电流 I 提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线测量样品上电压 U 。由于两根电压引线与样品的节点处在两根电流引线的节点之间，因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响；又由于数字电压表的输入阻值很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。因此，四引线测量法减小甚至排除了引线电阻和接触电阻对测量的影响。
高温超导转变温度的测定
11990315 杨燕婷
引言 自1911年昂纳斯首先发现超导电性，开拓了一个新的研究领域以来，超导电性机制、超导的应用、探索更高温区的超导体这三大方向的课题一直是世界科学界努力追求的目标。在随后年代里，有关超导理论以及超导的强电和弱电等方面的应用不断取得新进展，但由于当时发现的超导体的临界温度很低（液氦温区），限制了超导的应用，所以寻找高温超导体是全世界科学家梦寐以求的奋斗目标。1986年以来，探索高温超导材料的工作取得了重大进展。世界各地相继现了以钇钡铜氧（YBa2Cu3O）为代表的高临界温度（液氮温区）的氧化物超导体。
摘要 超导体既是完善导体，又是完全抗磁体，因此当超导体材料发生正常态到超导态转变时，电阻消失并且磁通从体内排出，这种电磁性质的显著变化是检测临界温度TC的基本依据。本实验 以钇钡铜氧（YBa2Cu3O）为代表，用FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪测定高温超导转变温度。测量方法是使样品温度缓慢改变并监测样品电性变化，利用此温度与电性的转变曲线而确定TC。
关键词 超导 转变温度 低温 测定
【实验目的】
1．通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.学习使用FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪；
【实验原理】
超导现象及临界参数
1）零电阻现象
图1 一般金属的
电阻率温度关系
T
在低温时，一般金属（非超导材料）总具有一定的电 电 阻，如图1所示，其电阻率 与温度T的关系可表示 阻 为： ︵ 0AT5 （1） 式中0是T＝0K时的电阻率，称剩余电阻率，它与金 属的纯度和晶格的完整性有关，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 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 T (K) 对零度时，也总存在
0。
图2 汞的零电阻现象
零电阻现象，如图2所示。
情况下电阻不为零。
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
完全/ 4。 T
转 TC 转 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。
图3 正常－超导转变
3）临界磁场
把磁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，即破坏了超导电性。致使超导体由超导态转变为正常态的
HC磁场称为超导体的临界磁场，记为HC 。如果 H0 超导体内存在杂质和应力等，则在超导体不同 处有不同的HC ，因此转变将在一个很宽的磁 场范围内完成，和定义TC样，通常我们把H = 超导态 H0/2相应的磁场叫临界磁场。 0 TC T 4）临界电流密度 实验发现当对超导体通以电流时，无阻的图4 第I类超导体临界磁场 超流态要受到电流大小的限制，当电流达到某随温度的变化关系 一临界值IC后，超导体将恢复到正常态。对大
多数超导金属，正常态的恢复是突变的。我们称这个电流值为临界电流IC ，相应的电流密度为临界电流密度JC 。对超导合金、化合物及高温超导体，电阻的恢复不是突变，而是随电流的增加渐变到正常电阻R0。
【实验仪器】
FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪
一、概述
高温超导转变温度测量仪是测量超导体零电阻基本特性的专用实验设备，用以观察、测定超导体的最基本参量——超导临界温度(转变温度)。
由上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-RT-II型高温超导转变温度测量仪具有以下特点：
1）采用常规的四引线法，在恒定电流下测量电阻－温度关系，进而测定转变温度。
2）实验中通过样品提离和浸入液氮来实现温度的升降，样品温度变化范围：液氮（77K）
－室温。
3）样品的电阻－温度转变曲线可以用三种方式记录：连接至X－Y记录仪直接记录；读取
测量仪主机面板上两数字电压表人工记录；连接至计算机进行实时记录。
4）样品电压和温度电压的显示均为三位半数字电压表。通过按钮开关切换可显示样品电流和温度计电流。
【实验步骤】 1、连接电路：将放大器上的航空头分别接到主机上对应的航空插座上。 2、记录数据：开启电源，设置样品电流10mA
打开软件自动采集R-T数据，并手动记录主机面板上温度计电压和样品电压。
3、插入探棒：降温（室温-液氮77K）探棒插入液氮深度影响温度变化速度，注意深度。取出探棒时即为升温过程。
4、处理数据：求样品的阻值Ｒ和对应的样品温度Ｔ。
做Ｒ－Ｔ曲线，并确定超导转变温度Tc △ Tc。
【实验方法】四引线法：
由于氧化物超导样品的室温电阻通常只有101-102左右，而被测样品的电引线很细（为了减少漏热）、很长，而且测量的样品室的温度变化很大（从300K－77K），这样引线电
阻较大而且不稳定。另外，引线与样品的连接也不可避免出现接触电阻。为了避免引线电阻和接触电阻的影响，实验中采用四线法（如图7所示），两根电源引线与恒流源相连，两根电压引线连至数字电压表，用来检测样品的电压。根据欧姆定律，即可得样品电阻，由样品尺寸可算出电阻率。从测得的R-T曲线可定出临界温度TC 。
【安全注意事项】
1．安装或提拉测试探头时，必须十分仔细并注意探头在液氮中位置，防止滑落。
2．不要让液氮接触皮肤，以免造成冻伤。
【数据记录】
1 仪器参数：
（1） 样品：电流=5.4mA
电压显示：U =10000 UT 放大10000倍
2 记录数据：
【具体数据处理】
（1）TC的确定
由上图可读出TC对应的电压=4.0*7.0=28mV
查下表
确定TC=95K
(2)电阻R的确定
由上图 电压=3.75*15/10000=5.625*10^(-3)uV
由于电流=5.4mA
得到电阻R=1.04*10^(-6)(欧姆)
【思考题】
为什么采用四引线法可避免引线电阻和接触电阻的影响？
恒流源通过两根电流引线将待测电流 I 提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线测量样品上电压 U 。由于两根电压引线与样品的节点处在两根电流引线的节点之间，因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响；又由于数字电压表的输入阻值很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。因此，四引线测量法减小甚至排除了引线电阻和接触电阻对测量的影响。