高温超导材料特性和低温温度计实验报告
学号：39051609 姓名：齐德轩日期：2011/4/15
一、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、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，是样品从正常态转变为超导态，只要T<Tc，超导体
内部的磁感应强度Bi总是等于零。
该效应表明超导体具有完全抗磁性。
（3）根据电阻率的变化和迈斯纳效应都可以用来确定超导体的临界温度。
本实验采用电阻法。
引进起始转变温度Tc，onset，零电阻温度Tc0和超导转变
（中点）温度Tcm三个物理量，通常所说的超导转变温度Tc是指Tcm。
实验使用的超导体为钇钡铜氧化物高温超导体的超导样品转变温度落在液
氮区。
2.低温温度计
（1）金属电阻随温度的变化
当金属纯度很高时，总电阻可以近似表达成R=Ri(T)+Rr
在液氮温度以上Rr(T)>>Rr,R≈Ri(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、仪器用具
1．低温恒温器
2. 不锈钢杜瓦容器和支架
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、数据处理
(1)原始数据处理
(2)样品电阻-温度曲线
由图中可以读出Tc≈92K
(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。
五、误差及失败原因分析
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，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
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（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
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。