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1、超导物理基础,高温超导实验,陈铭南,超导特性发现于1911年：4.2K,临界温度提高很慢：75年后达23.2K.1988年：110K（2年：100度）1989年中国科技大学刘宏宝研制的超导材料达130K1993年3月北大郭建栋教授，制备成功了134K样品目前超导体的临界温度约150K,超导基本特性：,从材料区分：低温超导材料（液氦温区）：金属。高温超导（液氮温区）：高温氧化物超导体。超导基本特性：1.零电阻特性超导体零电阻观察与测量：（1）一超导环置一磁场中，然后冷却使之转变成超导态，快速撤去磁场。产生感应电流。,零电阻现象,2.使样品通一恒定电流，测量其阻值随温度变化。测阻（难）与测温。,定
2、义：通常把外部条件(磁场、电流、应力等）维持在足够低值时电阻突然变为零的温度称为超导临界温度TC。,液氮温区高温超导体特性,1.零电阻率（现象）：相变:电阻、磁化率、热电势、比热容、热导率等都有明显的变化。 临界温度Tc以下电阻为零。 由正常态向超导态过度称转变宽度：Tc. Tc：取决于材料的纯度和晶格的完整性。 理想样品的Tc,完全抗磁性：迈斯纳（Meissner)效应,问题：先降温？先加磁场？理想导体：在磁场下降温，磁通不变。超导体：与过程无关。仅仅没有电阻的假想金属称做理想导体。超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透。超导体内磁感应强度始终为零（B=0）,迈斯纳（Meissner)效应:,完
3、全抗磁性是独立于零电阻特性的基本属性。零电阻特性是迈斯纳（Meissner)效应的必要条件。磁悬浮实验演示：难以给出定量结果。抗磁性：需测量样品的磁化率随温度的关系。,超导物理理论基础:,二流体模型和伦敦方程:自由电子气部分“凝聚”:粗糙BCS理论:电子库柏对.不能解释30K以上超导现现象.(金属30K为禁区).,二流体模型:(低温超导),二流体模型和伦敦方程:自由电子气：相变。速度“凝聚”电子比热容比：正常态（线性），超导态：指数变化。伦敦第一方程：零电阻伦敦第二方程：迈斯纳效应,BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer),理论高深的量子力学和许多数学知识。两个电子电
4、子库柏对超导电流。晶格振动的热运动拆散库柏对不能解释30K以上超导现现象.(金属：30K为禁区).,国际制冷学会（IIR）1971年：,对0以下称为低温，温区进行划分（向全世界建议）： T120K 为冷冻温区120KT0.3K 为低温温区 T0.3K 为超低温温区,一.冷冻温区的主要制冷手段（T120K）,1.基于相变原理的制冷:R12:-30,R14:-128.电冰箱,空调等.2.电制冷:利用半导体材料的珀尔帖效应,可以取得制冷效果.医学,生物学:降温帽,白内障摘除器等.,二.低温温区的主要制冷手段:（ 120KT0.3K ）,1.等焓节流:80K左右.2.等熵膨胀-等焓节流:20K:液态氢
5、,4.2K的液态氦.3.对低温液体抽气降温.例如:液氦:0.8K,0.3K.,三.超低温温区的获得:（ T0.3K ）,1.磁制冷:0.001K核自旋去磁:510-8K.2.帕末朗丘克制冷(Pomeran-Chuk):0.001K3.3He-4He稀释制冷.,几种常用的温度计,温 度 计 测温属性定容气体温度计 压强定压气体温度计 体积铂电阻半导体温度计 电阻热电偶温度计 热电动势液体温度计 液柱长度,液体温度计测温范围,液体 温度测量范围水银 -30+300酒精 -80 80甲苯 -80+110乙醇 -80+80煤油 0+300石油醚 -120+20,铂电阻、半导体、热电偶温度计,铂电阻：在
6、63K到室温具有线性关系，电阻正比于温度。不严格逞线性。（查公式与表）半导体：有正、负两种温度系数。大部分温区中，具有负的温度系数（与金属不同）。温度越高电阻越低。不同材料半导体：硅、锗、碳、渗碳玻璃电阻、热敏电阻等。温-阻关系不同，不同温区不同。塞贝克效应：由两种不同金属连接，两接点在不同温度下(参考点)，形成热电偶电动势。,高温氧化物超导体特性,1.高温超导材料正常态电阻率在很大温度范围内逞线性关系.2.霍尔系数 随温度的上升而单调下降.3.超导能隙的各向异性4.电子-电子关联性:可能是高温超导的主要支配原因,高温超导材料的研制,1.机械热加工法.2.混合法.3.照射法:放射性照射,改善超
7、导特性4.蒸气淀积法5.脉冲准分子激光法,液氮特性：,液氮:沸点77.36K、进出注意事项、样品与液氮。液氮不能完全密封：漏热升温升压防止冻伤.运输与安放.,高温超导仪：,低温恒温器（样品室）：样品研制：高温烧结与碾磨、样品安装：四端接法：金属铟压接。样品温度。,测温与控温：,铂电阻温度计、硅二极管温度计测温:铜-康铜温差电偶：需有一参考端，伸入液氮浸没。实验中有两个：一个为液面计；另一个为温度计。25欧姆锰铜加热器线圈的紫铜恒温块:导热性能好.,铂电阻和硅二极管测量：,单一恒流源。四端接法、标准电阻。测电压. 铂：标准电阻100欧姆，恒流1mA,内置10uv,4 数字表(已经标定:公式硅二极
8、管：标准电阻10K欧姆，恒流100uA，内置100uv,4 数字表。测量确定紫铜恒温块的温度。,四引线法测量超导样品电阻,恒流源: 样品电压：标准电阻：为消除乱真电动势,设立电流反向开关.外接灵敏度为1uv的51/2直流数字电压表：测量标准电阻和样品上的电压,温差热电偶,定点液面计-温差热电偶实验中有两个：一个为液面计；另一个为温度计。参考点：同在液氮中，作液面计的另一端在紫铜恒温块与下档板中间。作温度计的另一端在紫铜恒温块上。,电控制仪：,19芯连接电缆。恒流、四端接法、标准电阻、铂电阻、半导体二极管（硅管）、热电偶、测温与控温（加热器）、四位半数字表。,实验内容,测量室温.-铂与硅二极管.
9、安装低温恒温器:液氮倒入:多少?怎样倒?以下档板刚好接触液面计为准.使样品下降至液面计指示为零:热电偶无温差.:高度.测量温度与样品电势.:降温速率控制.开始:可约每5分钟测量一次,超导转变时可约每0.5分钟测一次.样品电阻为零时,正反向应一致.确定起始与,作业:,1.金属低温超导理论中,最基本的出发点是什么?试用BCS理论及二流体模型解释超导电性.2.超导磁悬浮是什么效应的直接结果?试描述上海磁悬浮列车工作原理.3.超导样品的国际与国内研制近况如何？,超导应用:,一.强电磁方面的应用(1)磁悬浮列车(2)磁流体发电(3)超导磁分离技术二.弱电磁方面的应用(1)超导磁梯度计对人脑功能的研究(2
10、)超导计算机(3)超导重力仪,测量注意事项:,所有测量必须在同一次降温过程中完成.恒流源不可开路,稳压电源不可短路.在总电源打开前:各分电源均应处在断开状态.加热器的电压应处于零.实验结束,样品拉杆移出低温容器,液氮需回收.,结束！,超导体临界温度测试,1911年荷兰物理学家卡麦林翁纳斯发现：水银稍低于4.2K时,其电阻急剧地下降到0.超导电性的两个最基本特征:1.以零电阻为特征的金属态命名:超导态.2.磁通密度为0,完全抗磁性(Meissner效应),常用低温温度计:,1.实用温度计: 铂,半导体,P-N二极管,热电偶等.2.热力学温度计:定容气体温度计.3.半热力学温度计:蒸汽压温度计.例:1.铂,半导体、热电偶温度计 2.西蒙气体温度计 3.蒸汽压温度计,热电偶温度计,汤姆孙效应：同一种金属，两端有温度差，电子云在温度不均匀时的热扩散形成电动势。外加电流，可有吸热与放热珀耳帖效应：两种不同金属接触面处，由不同金属的自由电子的数密度不同形成电动势。塞贝克效应：由两种不同金属连接，两接点在不同温度下，形成热电偶电动势。,西蒙气体温度计,构造：1.感温泡.2.压力传感器.3.连结毛细管(抽真空:10-1帕,充氦气)测量原理:PVm=RT,低温气体液化成功,1877年液化了氧，获得了-183的低温。随后，氮气、氢气、氦气相继液化成功。,
