高Tc超导体电温特性

Report
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1V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!

similar documents