超导材料转变温度测量

1911年，荷兰科学家发现汞在4.2K时电阻突然消失，这是人类第一次发现超导现象。1987年科学家发现钇钡铜氧材料化合物在液氮低温区具有超导特性Tc（临界温度）。超导材料研究的重大突破，使高温超导理论探索和高温超导体应用，前景变得十分光明。

实验装置由超导体样品、测试电源、探棒、液氮容器瓶、测试及显示系统等几个部分组成。显示系统为数字式显示表，直接读取数据。另有接X-Y记录仪的输出插口，供记录仪用。

通过本实验可以了解到超导体的基本特性，即电阻为零（R=0）和体内磁场为零（B=0）；通过测量超导体材料电阻与温度（R-T）的关系，从而测定该材料的超导转变温度。

了解在液氮温度下超导体的两大基本特性，通过测量液氮温度下超导材料电阻与温度关系，从而测定超导材料的超导转变温度Tc。

1. 什么叫超导现象？超导材料有什么主要特性？从你的电阻测量实验中如何判断样品进入超导态了？
2. 如何能测准超导样品的温度？
3. 测定超导样品的电阻为什么要用四引线法？
4. 从超导材料进入超导态时R=0，你能想象出它有什么应用价值？

图六 样品架及样品电流

如果教学环节中有较充足的实验时间，那么可以让学生自己制作样品以训练动手能力，制作样品主要是制作电极，由实验室提供样品基材。

• ①首先带好白手套，用镊子把尺寸大约为20×5×2cm的钇钅 具 铜氧超导块材,从干燥缸内取出；
• ②用0.8或1mm的钻头在样品表面上打4个浅穴（千万别打穿！）
• ③用酒精擦干表面尘粒
• ④用细银丝或漆包铜丝（ф0.05mm），作为引线，用铟粒，把引线头压在浅穴上，并用镊子柄轻轻压紧。
• ⑤再用小锉刀在2-3中间轻轻锉去一层，让它尽量变薄，但不能锉断，再用酒精擦去表面尘粒。
• ⑥把样品胶粘在与样品差不多大小的胶木板上（可用强力粘合胶），以增加牢固度。
• ⑦把带有样品的胶木板放在探测头样品架上，并用烙铁把样品引线的另一端焊到样品架的铆钉上。这样，完成了样品制作及连接线焊接。
• ⑧如果样品引线不用铟粒压紧，也可用导电胶把引线一端胶粘在浅穴上，然后放在220oC烘箱内保持3个小时，把它固化。操作过程中需认真细心，注意粘点要小，不能让引线翘起来，没有细心态度是做不好的。如果实验课时数不够，学生不必动手做样品，而用实验室提供做好的现成样品，学生只要把样品从干燥缸取出来后，把4根引线焊接到样品架相应的铆钉焊点上。⑨把铂电阻温度计放在探测头样品架紫铜块内样品附近，并把温度计的二个引线焊到样品架的5、6二铆钉接点上。最后把探测头的套筒装上并旋紧。

本实验的目的测量超导材料的转变温度TC，也就是在常气压环境下超导体从非超导态变为超导态时的温度。由于超导材料在超导状态时电阻为零，因此我们可用检测其电阻随温度变化的方法来判定其转变温度。实验中要测电阻及温度二个量。样品的电阻用四端法测量，通以恒定电流，测量2、3二端的电压信号，由于电流恒定，电压信号的变化即是电阻的变化。

温度用铂电阻温度计测量，它的电阻会随温度变化而变化，比较稳定，线性也较好，实验时通以恒定的1.00mA电流，测量温度计两端电压随温度变化情况，从表中可查到其对应的温度。

温度的变化是利用液氮杜瓦瓶空间的温度梯度来获得。样品及温度计的电压信号，可从数字显示表中读得，也可用x,y记录仪记录。

具体操作方法：

• ①样品连线连接好以后，开启电流，调节样品电流，iS=5.0mA 温度计电流iT=1.00mA。
• ②调节VS放大的旋钮，使样品电压信号适中，一般希望能有几十毫伏的信号，因室温时处在最高温度，这时信号是最大值，如果调节不到几十mV，说明有问题，需要检查接线、电流供给、样品断线否等，排除问题后再作下一步实验。
• ③小心地把探测头浸入杜瓦瓶内，待样品温度达到液氮温度后（一般等待10-15分钟），观察此时样品出现信号是否处于零附近（因此时温度最低，电阻应为0，但因放大器噪声也被放大，会存在本底信号）注意此时不能再改变放大倍数，放大倍数档位置应与高温时一致。如果此时电压信号仍很大，与高温时一样，则属不正常，需检查原因。如电阻信号小，与高温时的电阻信号相差大，则可进行数据测量了。
• ④测量方法: 样品温度达到稳定到液氮温度时，记下此时的样品电压VS及温度电压VT值，然后把探测头小心地从液氮瓶内提拉到液面上方，温度会慢慢升高，在这变化过程中，温度计的电压信号及样品的电阻信号会同时变化，同时记录这二数值，记下50-60个数据。作VS-VT图即可求得转变温度。在过程中要耐心观察，特别在转变温度附近，最好多测些数据。
• ⑤如时间允许可从高温到低温再测量一次，观察二条曲线是否重合，解析原因。

• （1）x-y记录仪的x、y轴应校准。
• （2）接好连接线，样品电流为iS=5.00mA，温度计电流iT = 1.00mA，样品的电阻（即电压）信号接到x-y记录仪的y轴，温度计信号接到x轴。先看在室温下x-y记录仪的笔处于哪个位置。室温下x及y均应处于最大值，记录笔应在记录仪的右上方，如太大或太小，应调节它的量程档，使之合适，如发现此时记录笔不处在右上方，那肯定有问题，应该检查样品、温度计及记录仪电流是否接通，x-y记录仪量程是否选得合适等等。排除问题后再做下一步实验。
• （3）如果正常我们可以暂时关闭样品及x-y记录仪的电源，而把探测头缓慢地放到杜瓦瓶内（注意小心轻放，别碰坏玻璃杜瓦瓶。）样品达到液氮温度后（由于样品罩内有空气，样品要达到液氮温度需要一个传递过程，一般要等候10-15分钟），再开启电源。此时x-y记录仪的笔应处在最小位置，即在记录仪的左下方，如果不是，则可以为样品未处于超导态（或样品失超了），则应再等一会（或调换样品）。

达到液氮温度后，小心地把探头从瓶内提出到液氮面上部，样品处温度会慢慢升高变化，与此同时记录仪的笔会根据温度变化规律画出样品电压信号的变化曲线。如果变化太慢，可把探测头再从液氮面提出放在实验台上，此时温度变化较快，能较快画出样品电阻随温度的变化曲线，注意在提纯拉探测头过程中，仪器处于工作状态，因此应小心操作，以防接线松脱。在这实验过程中，如果温度变化太快或太慢，可通过控制探测头在液氮面上部的位置及停留的时间加以调节。

这样画出的样品电压（或电阻）变化曲线是从低温到高温的变化。然后，可再画一条从高温到低温的变化曲线。（注意：放入液氮前，如样品在空气中受了潮，一定要用热吹风吹干）。这两条曲线应重合在一起，但事实上并不如此。什么原因，请实验者思考。计算Tc的话应该采用从低温到高温变化所画出的那条曲线的数据。

• ①实验结束后关掉仪器电流，用热吹风把探测头吹干。
• ②旋开探测头的外罩，把样品吹干，使其表面干燥无水气。
• ③用烙铁把样品与样品架连接的四个焊点焊开，取出样品，用滤纸包好，放回干燥箱内，以备下组实验者使用。

1. 章立源、张金龙、超导物理、电子工业出版社（1987）
2. 物理实验，总第129期，2001.5 P7-12
3. 近代物理实验（第二版），吴思诚、王祖铨主编，北京大学出版社，P418-P425

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