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超导物理基础

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超导物理基础

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  1. 超导物理基础 高温超导实验 陈铭南

  2. 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

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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:ΔTc. ΔTc:取决于材料的纯度和晶格的完整性。 理想样品的ΔTc

  6. 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)

  7. 迈斯纳(Meissner)效应: • 完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。

  8. 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).

  9. 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

  10. 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).

  11. 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): • T>120K 为冷冻温区 • 120K>T>0.3K 为低温温区 • T<0.3K 为超低温温区

  12. 一.冷冻温区的主要制冷手段(T>120K) • 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.

  13. 二.低温温区的主要制冷手段:( 120K>T>0.3K ) • 1.等焓节流:80K左右. • 2.等熵膨胀-等焓节流:20K:液态氢,4.2K的液态氦. • 3.对低温液体抽气降温.例如:液氦:0.8K,0.3K.

  14. 三.超低温温区的获得:( T<0.3K ) • 1.磁制冷:0.001K—核自旋去磁:5×10-8K. • 2.帕末朗丘克制冷(Pomeran-Chuk):0.001K • 3.3He-4He稀释制冷.

  15. 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

  16. 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

  17. 铂电阻、半导体、热电偶温度计 • 铂电阻:在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。

  18. 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

  19. 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,改善超导特性 • 4.蒸气淀积法 • 5.脉冲准分子激光法

  20. 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.

  21. 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。

  22. 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.

  23. 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 ½数字表(已经标定:公式 • 硅二极管:标准电阻10K欧姆,恒流100uA,内置100uv,4 ½数字表。 • 测量确定紫铜恒温块的温度。

  24. 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

  25. 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。

  26. 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。

  27. 实验内容 • 测量室温.-铂与硅二极管. • 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

  28. 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?

  29. 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)超导计算机(3)超导重力仪

  30. 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.

  31. 结束!

  32. 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)

  33. 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

  34. 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。

  35. 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

  36. 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。