高温超导材料特性和低温温度计实验报告.pdf

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1、高温超导材料特性和低温温度计高温超导材料特性和低温温度计实验报告实验报告 学号：39051609 姓名：齐德轩 日期：2011/4/15 一、一、实验目的实验目的 1.了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法 2.学习三种低温温度计的工作原理和使用以及进行比对的方法 3.了解液氮使用和低温温度控制的简单方法 二、二、实验原理实验原理 1.超导体和超导电性（1）常用临界温度 Tc，临界磁场 Bc 和临界电流 Ic 作为临界参量来表征材料的超导性能。温度的升高、磁场或电流的增大，都可以使超导体从超导状态转变为正常态。Bc 和 Ic 都是温度的函数。（2）迈斯纳效应 不论有没有外加磁场，是样品从

2、正常态转变为超导态，只要 TRr,RRi(T)在液氮正常沸点到室温这一范围内，铂电阻温度计具有良好的线性电阻温度关系。可表示为 R(T)=AT+B。因此可以根据给出的铂电阻温度计在液氮正常沸点和冰点的电阻值，可确定所用的铂电阻温度计的 A、B 值，并由此对铂电阻温度计定标，得到不同电阻值所对应的温度值。（2）温差电偶温度计 当两种金属所做成的导线连成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度下时，改闭合回路中就会有温度差电动势催在，如果将回路的一个接触点固定在一个已知的温度下，则可以由所测得的温差电动势确定回路的另一个接触点的温度。三、三、仪器用具仪器用具 1 低温恒温器 2.不锈钢杜瓦容器和支架

3、 3.PZ158 型直流数字电压表 4.BW2 型高温超导材料特性测试装置（电源盒）四、四、数据处理数据处理 (1)原始数据处理 温度（K)Pt 电压（mV）Si 电压（mV）温差电偶（mV）样品电压（mV）样品电流（mV）样品电阻（）283.33 107.38 0.5538 0.010 0.210 50.125 0.004189526 242.92 90.30 0.6480 3.178 0.184 50.125 0.003670823 218.94 80.16 0.7188 0.920 0.170 50.125 0.003391521 186.57 66.48 0.8114 2.380 0.

4、151 50.125 0.003012469 162.87 56.46 0.8831 3.127 0.136 50.125 0.002713217 144.94 48.88 0.9311 0.750 0.125 50.125 0.002493766 130.01 42.57 0.9697 0.617 0.115 50.125 0.002294264 120.55 38.57 0.9849 0.750 0.108 50.125 0.002154613 113.90 35.76 1.0000 0.365 0.103 50.125 0.002054863 108.30 33.39 1.0106 0.

5、508 0.099 50.125 0.001975062 103.52 31.37 1.0217 0.422 0.095 50.125 0.001895262 100.28 30.00 1.0291 0.311 0.091 50.125 0.001815461 99.14 29.52 1.0318 0.341 0.090 50.125 0.001795511 98.29 29.16 1.0338 0.328 0.088 50.125 0.001755611 93.04 26.94 0.076 50.125 0.001516209 92.87 26.87 0.074 50.125 0.00147

6、6309 92.75 26.82 0.071 50.125 0.001416459 92.66 26.78 0.067 50.125 0.001336658 92.57 26.74 0.062 50.125 0.001236908 92.45 26.69 0.052 50.125 0.001037406 92.35 26.65 0.042 50.125 0.000837905 92.28 26.62 0.034 50.125 0.000678304 92.21 26.59 0.027 50.125 0.000538653 92.12 26.55 0.021 50.125 0.000418953

7、 92.02 26.51 0.017 50.125 0.000339152 91.95 26.48 0.014 50.125 0.000279302 91.78 26.41 0.012 50.125 0.000239401 91.64 26.35 0.010 50.125 0.000199501 91.41 26.25 0.008 50.125 0.000159601 91.00 26.08 0.006 50.125 0.000119701 90.34 25.80 0.003 50.125 5.98504E-05 90.10 25.70 0.001 50.125 1.99501E-05(2)样

8、品电阻-温度曲线 由图中可以读出 Tc92K(3)Si 电压-温度曲线 说明在此范围内 Si 电阻与温度成线性关系，图像的左半段缺失，误差分析见下(4)温差电偶-温度曲线 此图右半段误差较大，误差分析见下。00.00050.0010.00150.0020.00250.0030.00350.0040.00450.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00样品电阻样品电阻()-温度温度(K)曲线曲线 样品电阻 0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.20000.0050.00100.00150.00200.00250.00300.

9、00Si电压电压(mV)-温度温度(K)曲线曲线 温度-Si电阻曲线 0.0002.0004.0000.0050.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00温差电偶电动势温差电偶电动势(mV)-温度温度(K)曲线曲线 温差电偶电动势(mV)-温度(K)曲线 五、误差五、误差及失败及失败原因原因分析分析 实验说明：本次实验使用的 7 号实验台，在实验开始的初期，样品电压并没有像预想的随着温度的降低而逐渐减小，相反的，随着实验的进行，样品电压从最初的 0.3 左右逐渐飙升至 0.5，使我们不得不怀疑是否是低温恒温器没有达到合适位置。但是在一次将低温恒温器下放的过程中

10、，液氮突然沸腾，同时铂电阻的电压迅速由 40 多降至 20mV，样品电压由 0.5 迅速降为 0.001mV，整个过程在十几秒内发生，实验宣告失败。第二次尽管我们小心翼翼，但结果如出一辙。在实验时间所剩不多的情况下，第三次只得冒险从一开始就保持恒温器插入一个较深的位置，所以示数变化很快，这就造成了：1.在读一组数据的过程中，由于各个数据之间存在时间差，同一组读数中各个数据并不实际对应。2.由于到接近临界温度时变化速度更加加剧，没有时间读取 Si 电压和温差电偶电动势，造成这两个物理量对温度作图的图像后半段的丢失。3.快速切换 PZ158 数字电表的档位，从而有可能使示数器来不及反应，得到错误的

11、数据（“温差电偶电动势-温度”的图像中几个跳跃点很可能就是属于这种情况）这次实验总体来说不是很成功，虽然最后得到了较符合实际的数据，但是整个过程并没有严格按照预想的过程进行，总结下来原因如下:1.开始的时候过于保守，恒温器插入过于缓慢，迟迟未能达到液面计为零的要求；2.后期过于冒进，插入过深，以致读数变化过快；3.不排除实验仪器的问题。因为在前两次失败的过程我们发现：Pt 电阻的示数是一直稳定降低，这说明恒温器是在不断降温的过程。正常情况下，样品电压也应该下降，但是却反常的稳定上升。已经排除了外部接线错误的可能，而且在温度迅速剧烈降低（即将恒温器没入液氮中）的情况下，样品电压也能够很快达到超导

12、的水平。我们最先想到的是由于开始时插入的深度不够，以至于样品上电阻的发热抵消掉了冷却的效果。但是在在第二次失败后（此时 pt 电压在 40mV 左右，样品电压由0.3mV 左右已升至 0.5mV），拿出恒温器并对其加热的过程中发现，随着温度的升高，样品电压又几乎是沿升压过程一样，其样品电压缓缓降至 0.3mV。这也就否定了是样品电阻产热造成电阻升高的想法。所以无法排除实验仪器存在瑕疵。针对本实验，我觉的还有如下可以改进的地方：1.由于“液面计为零”这一条件对实验的结果有重大影响，而使用液面计存在如果实验较长时间之后，可能使液面上方也达到液氮温度，从而产生误判这样的弊端。所以适当减小恒温器的体积

13、（玻璃杜瓦瓶直径一般不超过 35mm），这样就能用玻璃杜瓦瓶代替不锈钢杜瓦瓶，更便于观察。2.改进直流数字电压表，用带有存贮功能的电压表代替。这样即使在临界阶段也能准确记录各个电阻的电压值，不存在同组数据间的延迟问题，也可以大大缩短实验的时间。六、实验思考题六、实验思考题 1.零电阻常规导体遵从欧姆定律，它的磁性有什么特点？超导体的磁性又有什么特点？它是否是独立于零电阻性质的超导体的基本特性？答：零电阻的磁性特点是外磁场可以穿过零电阻常规导体，而超导体具有完全抗磁性，只要温度低于临界温度，不论有无外加磁场，超导体都能从正常态转变为超导态，且超导体内部的磁感应强度为零。因此，超导体的完全抗磁性是

14、独立于零电阻性质的超导体的基本特性 2.在“四引线测量法”中，电流引线和电压引线能否互换？答：不能。如果互换，则两根电流引线与样品的接触点将处于电压引线的接触点之间，所测得的电压出了待测电阻上的压降之外，还包括电流引线与样品见的接触电阻上的电压降，使测量结果偏大。3.确定超导样品的零电阻时，测量电流为何必须反向？答：在样品电阻接近于 0 时，由于乱真电动势的干扰，测量结果不能表示出样品电阻已变为 0，又因为乱真电动势的大小和方向几乎不变，因此利用电流反向，当两次的测量结果相同时，可以认为超导体达到了零电阻状态。4.如何利用本实验装置获得接近室温的（如 250K）的中间温度？答：调好各种室温数据之后开始降温，通过估算，预先确定中间温度对应的 Pt 电阻的电压值。待恒温器降至预设的数据是，打开加热器，调节加热器的稳压电源，使 Pt 电压始终保持在预先估算的电压值左右，得到的温度即为室温的中间温度。