高温超导体 电阻温度特性测量研究 主讲人：徐永祥

一、背景介绍 1. 超导的概念、发现、发现的背景及其意义 1911年，昂纳斯发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失。 1. 超导的概念、发现、发现的背景及其意义 1908年，荷兰物理学家昂纳斯(Kamerlingh Onnes)在4.2K下成功液化氦气。 1911年，昂纳斯发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失。 这种以零阻值为特征的新物态， 称做“超导态”。由普通导体转变为超导体时的温度叫做临界温度（或转变温度）。 图1 昂纳斯 1913年诺贝尔物理学奖得主

前提： 电流密度、磁场、应力不超过临界值。 超导体两大重要特性 : 零电阻特性、完全抗磁性（迈斯纳效应）。 前提： 电流密度、磁场、应力不超过临界值。 图2 超导材料电阻随温度的变化 R Ｔ0 T Ts 图3 迈斯纳效应

意义→技术应用： 强电领域 制成超导发电机　提高发电效率。 图4 超导发电机（拥有两万千瓦的功率） 图5 300KW超导单极300发电机

制成超导电线和超导变压器，减少传输损耗。 超导储能 制成超导线圈，储存电磁能量。 超导输电线路 制成超导电线和超导变压器，减少传输损耗。 超导储能 制成超导线圈，储存电磁能量。 含2120根微米 直径的铌钛 合金纤维 图7 超导线圈储能装置 图6 超导导线

弱电应用 超导计算机、滤波器、微波器件等。 超导量子干涉器(SQUID)：超导量子干涉器(SQUID)磁强计是极其灵敏的磁场探测仪器，可以分辨相当于十亿分之一的地磁场变化，是高温超导体最早走向实用化的领域之一。 图8 超导量子干涉器(SQUID)

抗磁性应用 超导磁悬浮列车-零高度的飞行器 图9 1999年，日本研制的超导磁悬浮列车时速达552公里，创世界铁路时速之最

高温超导体的发现 超导电性发现后，因常规超导体临界温度很低需液氦冷却，而氦属稀有气体，因而大大限制了超导的应用。60年代开始，人们一直在探索把超导临界温度提高到液氮温区（77K）以上的办法，由此引起高温超导研究。 1986年初高温超导研究取得了突破性的发展，物理学家缪勒（Mueller）和贝德诺兹（Bednorz）发现了高温铜氧化物超导体La2-xBaxCuO4，超导临界温度达40K。

1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇YBa2Cu3O7系材料上把超导临界温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。 1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。 随后的几年,高温超导临界温度迅速提高，已达到160K,并向更高的温度进军。高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

表1 各种超导材料的发现时间及临界温度 时间 材料 Tc/k 1911 1913 1930 1934 1940 1950 1954 1967 1973 1986 1987 Hg Pb Nb NbC NbN V3Si N3Sn Nb3(Al0.75Ge0.25) Nb3Ge La-Ba-Cu-O Y-Ba-Cu-O Tl-Ba-Ca-Cu-O 4.16 7.2 9.2 13 14 17.1 18.1 21 23.2 35 90 125

１．了解超导体基本特性，学会判定超导态的基本方法； 二、实验任务与目的 １．了解超导体基本特性，学会判定超导态的基本方法； ２．学习基于四端子接法测量超导材料电阻-温度特性的原理及相关技术； ３．用动态法测量高温超导材料铋锶钙铜氧的电阻-温度特性曲线, 给出零电阻温度结果； 4．（选做）用稳态法测量上述材料的电阻-温度特性曲线,并与动态法结果进行比较。

三、实验原理 电压 电阻 电流 电阻-温度特性的测量 测温 温度 变温 1. 电阻的测量 控温 按欧姆定律，涉及到电压与电流两方面 1. 电阻的测量 按欧姆定律，涉及到电压与电流两方面 （1）电压的测量 因处于超导态时，样品两端的电压为零，为测量准确，需采用四端子接法：在外端两个电流接头的内部再引出两个电压接头。

由上述方法得到的电压与电压真值仍还存在较大的误差—因温差电动势的影响 1 2 3 4 图10 四端子接线法 消除了电流接头电阻以及电流引线与样品间接触电阻的影响。 用电压测量回路的高输入阻抗消除电压接头电阻、电压引线电阻和引线与样品间接触电阻 由上述方法得到的电压与电压真值仍还存在较大的误差—因温差电动势的影响 如何消除？

样品做得薄而平坦 用导电银浆粘接 通过制作工艺限制它 电极引线用较细导线 电极引线与均温块接触良好 消除温差电动势的方法 温度计与均温块接触良好 电流流通时的电压减去断开时的电压 电流通断法 通过测量算法消除它 电流换向法

（2）电流 上限：不能破坏超导态 方向可变 工作电流 大小可调 下限：不能影响电表灵敏度 测量方法 串接一个阻值已知的标准电阻R0，也采用四端子接法，按式 得知工作电流大小。

测量准确 铂电阻传感器 测温 与样品接触良好 温度方面的问题 动态法 变温 稳态法 控温 要求在测量点处温度无变化 常采用 铂电阻传感器 测温 与样品接触良好 温度方面的问题 利用自然冷却（升温）过程、加热 动态法 变温 固定样品位置，改变加热功率 稳态法 改变样品在容器中的位置 控温 要求在测量点处温度无变化

四、实验步骤 以动态法测量为例给出实验操作的步骤演示。（操作视频） （1）将探棒上端的两个航空插头与测量仪对应的插座连接好。 （2）将液氮充入实验容器内，充入的液面高度取6cm~8cm为度。 （3）打开FDRT联机测量软件，设置降温测量曲线为黑，横轴温度的单位为K，纵轴每格表示的电压以记录的离散点位置在界面上既不过低又不至于溢出界面为度，将温度计电流设置为0.99mA，样品工作电流范围取20 mA ~30mA。

（4）点击联机采集图标，此时系统将对自动降温过程进行离散采集，并将采集点标示于电压与温度关系界面，待样品进入超导态后点击断开采集图标。此时从曲线中取出若干离散点记录下相应的温度与样品电压数值。 （5）将样品从容器中取出，点击联机采集图标，同时将升温采集曲线标示为红色。重复上述过程。采集结束时从曲线中取出若干离散点再次记录下样品电压与温度关系值。 （6）对升温和降温下的采集数据进行处理，给出被测样品的电阻-温度关系曲线及零电阻温度结果。

五、注意事项 1. 使用液氮时需要小心。操作过程中人体切勿接触液氮，防止冻伤。 关于稳态法的测量操作，限于时间，我们仅给出操作步骤的说明。 （1）打开FDRT联机测量软件，有关参量的设置参见上述“动态法测量”；将探头浸入液氮内，等待10-15分钟，观察样品电压是否达到0附近（因此时温度最低，样品电阻应为0，但由于放大器噪声的原因会存在本底信号）。若样品电压很小，则记录下该电压和温度计电压值。 （2）将探头小心地从液氮瓶内提拉到液面上方，此时温度会慢慢升高，温度计电压和样品电压会同时变化。待稳定后记录下它们的数值。 （3）将探头往上再提拉一些，重复步骤（2），前后共记录30个数据点。其中在110K以下每2K测一点，110K以上离散点间隔可取大一些。 五、注意事项 1. 使用液氮时需要小心。操作过程中人体切勿接触液氮，防止冻伤。

六、思考题 超导样品的连接为什么要采用四端子接法？ 在设置测量电流大小时，应考虑哪些方面？怎样才能让用户知道样品的工作电流是多大？ 测量时若电压表指向零点，是否说明样品已进入超导态？如何判断样品是否进入了超导态？ 由本实验的动态法升降温过程获得的Ｒ-Ｔ曲线有哪些具体差异。为什么会出现这些差异？ 若样品达到超导态时实际测得的电阻不为零，那是为什么？