高温超导学号：姓名：实验日期：指导教师：【摘要】本实验主要研究了高温超导体的零电阻现象及迈斯纳效应。

测量了高温超导体的超导转变曲线，得到其起始转变温度T C,onset为99.82K，临界温度T C为92.99K，零电阻温度T C0为91.76K，转变宽度∆T C为3.78K。

对比了铂金属电阻与硅二极管电阻与温度的关系并测量了温差电偶电动势与温度的关系。

通过研究超导体在场冷和零场冷的情况下的磁悬浮力情况，对第Ⅱ类超导体特性进行进一步分析和理解。

关键词：高温超导体零点阻现象迈斯纳效应磁通俘获磁悬浮一、引言：1911年荷兰物理学家卡墨林·翁纳斯发现了低温超导体，自此以后科学家对超导电性理论和超导技术以及超导材料进行了大量的研究。

超导科技发展大体分为三个阶段。

第一阶段（1911年——1957年）是人类对超导电性的基本探索和认识阶段， BSC 超导微观理论问世。

第二阶段（1958年——1985年）属于开展超导技术应用的准备阶段。

第三阶段（1986年——）是超导技术开发阶段，自1986年发现超导转变温度高于30K的超导材料后开始。

1986年6月，贝德诺和缪勒发现金属氧化物Ba-La-Cu-O材料具有超导电性，其超导转变温度为35K，在13K达到零电阻。

随后世界各地的科学家们相继取得了突破性的进展。

超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。

超导电性的应用十分广泛。

本实验通过对氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性；了解超导磁悬浮的原理；了解金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应；掌握低温物理实验的基本方法；低温的获得控制和测量。

二、实验原理：同时具有完全导电性和完全抗磁性的物质称为超导体，完全导电性和完全抗磁性是超导电性的两个最基本性质。

1. 零电阻现象：把某种金属或合金冷却到某一特定温度T C以下，其直流电阻突然降到零的现象。

其中，T C叫做超导体的临界温度，是由物质本身的内部性质确定的、局域的内秉参量。

物质的超导电性：低温下发生的零电阻现象。

超导体：具有超导电性的材料。

只有在直流情况下才有零电阻现象。

超导临界温度的定义：①理论上，当外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度。

②实验中，用电阻法测量临界温度时通常把T C定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度，也称作超导体转变的中点温度。

T C,onset:起始转变温度，降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度。

T C0：完全转变温度（即零电阻温度），电阻刚刚完全降到零时的温度。

∆T C:转变宽度，电阻变化10％到90％所对应的温度间隔；其大小反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品∆T C较窄，反之较宽。

实验中超导体的电阻转变曲线：图一超导体的电阻转变曲线图二超导体的磁性2. 迈斯纳效应：当把超导体置于外加磁场中时，磁通不能穿透超导体，而使体内的磁感应强度始终保持为零。

不管加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零。

超导体的磁状态是热力学状态，即在给定的条件下，它的状态是唯一确定的。

临界磁场（H C）：对超导体施加磁场，当磁场达到某一值时，允许磁场穿透，超导电性被破坏。

通常把ρ=ρ0/2相应的磁场称为临界磁场。

根据两类可区分的磁行为将超导体分为两种超导体：①第Ⅰ类超导体，在T C以下，临界磁场H C(T)随温度下降而增加。

②第Ⅱ类超导体，分为理想第Ⅱ类超导体（磁化行为呈现完全可逆）和非理第Ⅱ类超导体，在超导态和正常态之间存在过渡的中间态，有两个临界磁场H C1（下临界磁场）和H C2（上临界磁场）。

状态与外加磁场的关系如图三所示。

图三第Ⅱ类超导体状态与外加磁场的关系临界电流密度：当超导体通以电流时，无阻的超流态要受到电流大小的控制，当电流达到某一临界值I C后，超导体恢复到正常态，I C称为临界电流，相应的电流密度为临界电流密度J C。

J C与H C是相关的，外加磁场越强，临界电流就越小。

H C依赖于温度，随温度升高而减小，并在转变温度T C时降为零。

J C在较高温度下减小。

临界温度T C、临界电流密度J C和临界磁场H C是超导体的三个临界参数，与物质的内部微观结构有关。

3. 磁通俘获：对于第Ⅱ类超导体当外加磁场H升到高于H C1时，不存在完全的迈斯纳效应，磁通线要进入到超导体中。

撤掉磁场后，超导体仍保留一定的磁力效应，残留一个俘获磁通。

4.钉扎力和钉扎中心：非理想第Ⅱ类超导体中俘获磁通是稳定的，这个阻碍磁通线运动的力来自缺陷，叫做钉扎力，缺陷叫做钉扎中心。

5.电阻温度特性：根据马德森定则，金属中总电阻率为：ρ=ρL(T)+ργ（1）ρL(T)表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关；ργ（剩余电阻率）表示杂质和缺陷对电子的散射引起的电阻率，一般不依赖于温度，与杂质和缺陷的密度成正比。

杂质和缺陷可以改变金属电阻率的数值，但不改变电阻率的温度系数。

在液氮正常沸点（77.4K）到室温温度范围内，铂电阻与温度具有良好的线性关系。

三、实验内容：实验仪器：不锈钢杜瓦容器，低温恒温器， BW2型高温超导材料特性测试装置， PZ158型直流数字电压表，高温超导磁悬浮演示装置实验装置图：图四低温恒温器和杜瓦容器结构实验方法：（1）用四引线测量法测量电阻，减小甚至排除了引线和接触电阻对测量的影响。

（2）在四引线法的基础上增设了电流反向开关，消除测量电路中固有的乱真电动势的影响。

图五四引线法测量电阻实验步骤：1.室温测量2.液氮的灌注3.低温温度计的对比4.超导转变曲线的测量5.高温超导体的磁悬浮演示6.高温超导体的磁悬浮力测量四、实验数据处理与实验结果分析：1.室温测量：铂电阻 U=107.87 I=100.00Ma 得到：R=107.87Ω硅二极管 U=0.5113V I=100.00uA 得到：R=5113Ω样品 : U=0.129mV I=10mA 得到：R=0.0129Ω温差电偶：U=0.065mV2.低温温度计的对比：根据实验记录的数据，由于铂电阻温度计已经标定，性能稳定，且具有较好的线性电阻温度关系，故根据铂电阻温度计的电阻-温度关系：⁄ b=29.315K (2) T=aR+b , a=2.3643KΩ由相应温度下的铂电阻温度计的电阻值确定紫铜恒温快的温度，再以温度为横坐标，分别以所测得的硅二极管的正向电压值和温差电偶的温差电动势值为纵坐标，画出它们随温度变化的曲线，如图六、图七所示图六硅二极管的正向电压值与温度变化的关系在电流一定的情况下电阻与电压成正比。

所以图六也反映硅二极管的电阻值和温度变化的关系。

根据图六我们可以得出结论：硅二极管在一定温度范围内具有负的电阻温度系数。

与铂温度计比较，我们可以利用硅二极管的这一特性来弥补金属电阻温度计在低温区电阻值和灵敏度降低的缺陷。

图七温差电偶的温差电动势值与温度变化的关系用线性多项式对温差电偶两端的电动势值与温度关系曲线进行拟合，拟合的非常好，说明在误差允许的范围内温差电偶两端的电动势值与温度呈现多项式关系，温差电偶两端的电动势随着温度的升高而呈上升趋势，慢慢降温的过程中温差逐渐减小直至趋于零。

3. 超导转变曲线的测量：根据加在样品两端的电流及电压算出电阻，根据铂电阻的电阻与温度关系得出温度，根据得出的数据绘制样品电阻与温度的关系图，如图八：图八超导转变曲线根据图八，在降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的电阻为0.0049Ω，起始转变温度T C,onset=99.82K，电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度T C=92.99K，零电阻温度T C0=91.76K，转变宽度∆T C=3.78K。

4．超导材料磁浮力测量实验：分别在无磁场的情况下与有磁场的情况下让超导体发生相变（即零场冷和场冷），测量其磁悬浮力。

（1）在无磁场时使超导体相变（零场冷）的实验中，我们令磁体从远距离处逐渐接近超导体，在几乎接触时再逐渐远离，测量这一过程中的受力如图九：图九零场冷磁悬浮力与距离的关系图图中力为正值时表示的是排斥力，负值时为吸引力。

可以看出，当磁体开始接近超导体时，超导体给磁体的力为斥力，并且随着距离的接近，斥力急剧增大；当磁体远离超导体时，斥力随距离的增大急剧减小，甚至出现了表现为引力的情况，故可以知道当磁体与超导体距离很近时，由于磁场十分强，使超导体进入混合态，一部分磁感线“留”在了超导体内，并被超导体所禁锢，因此当磁体远离超导体时，由于磁感线被禁锢在超导体中，使得当距离远到一定程度时，磁感线无法从超导体中脱离，故产生了引力。

（2）在有磁场存在时使超导体相变（场冷）的实验中，首先使磁体与超导体接近，在此情况下使超导体相变，相变后测量磁体远离超导体过程中所受到的力的变化，以验证超导体混合态的存在。

实验测量的磁悬浮力曲线如图十：图十场冷磁悬浮力与距离的关系图可以看出，增大或减小间距都有一段表现为吸引力。

场冷情况下磁体离开，超导中会存留俘获磁通，所以当磁体再次减小间距时，残留的俘获磁通与磁体之间有吸引力。

5. 磁悬浮现象及解释：现象一：把超导盘冷却到超导临界温度以下时，把磁块慢慢放到超导盘上。

磁块与超导盘之间有斥力，翻转磁铁，仍然受到斥力作用。

解释：磁力线完全被排斥在超导体外，超导体具有完全抗磁性。

现象二：将磁块与超导盘放在一起，冷却。

当超导盘冷却为超导体后，磁块悬浮起来，保持在某一平衡位置。

磁铁靠近时两者之间有斥力，远离时两者之间有引力。

解释：靠近时磁力线不能进入超导体内，在超导体表面形成很大的磁通密度梯度，感应出高临界电流，从而对磁铁产生排斥。

超导体与磁块之间的排斥力随相对距离的减小而逐渐增大，克服磁块的重力，使磁块悬浮在超导体上方的一定高度上。

当磁体远离时，超导体中产生负的磁通密度，感应出反向的临界电流，超导体与磁块之间产生引力，克服超导体的重力，使其倒挂在永磁体下方的某一位置。

误差分析：数据处在不断变化中，尤其在转变温度附近变化非常快，没办法做到同时记录。

导致电阻或电压与温度之间不是严格对应而对测量造成一定的误差。

五、结论与建议：本实验对比了铂金属电阻与硅二极管电阻与温度的关系，发现硅二极管在一定温度范围内具有负的电阻温度系数。

测量了温差电偶电动势与温度的关系。

测量了高温超导体的超导转变曲线，得到其起始转变温度T C,onset为99.82K，临界温度T C为92.99K，零电阻温度T C0为91.76K,转变宽度∆T C为3.78K。

通过研究超导体在场冷和零场冷的情况下的磁悬浮力情况，对第Ⅱ类超导体特性进行进一步分析和理解。

六、参考文献：①高温超导补充讲义北京.北京师范大学近代物理实验室②熊俊.近代物理实验.北京.北京师范大学出版社.2007年8月。