文档介绍：超导材料的电磁特性
近十几年来,高温超导材料的研究可谓轰轰烈烈。YBaCuO、BiSrCaCuO等系列的超导转变温度Tc,超导电流等参数有了很大提高。高温超导线材与薄膜在应用方面也有了很大的突破。为了让学生及时了解和接触一些目前处于科学前沿的东西,有必要将“超导材料的电磁特性”实验引入到近代物理实验课程当中。
一、实验目的
通过做本实验使学生对当今世界广泛关注的新型超导材料(YBa2Cu307-x)有初步的了解。
测量超导材料电阻率随温度变化的特性曲线。
观察超导材料的迈斯纳效应。
了解超导材料的一些应用。
二、实验原理
1、超导转变温度和迈斯纳效应
图1 水银样品电阻与绝对温度关系
某些金属被冷却到极低温度时呈现出异乎寻常的电、磁综合特性。所谓极低温度是由荷兰物理学家昂尼斯()于1908年利用液氦所能达到的极低温度。3年后,1911年他发现纯汞(Hg)的电阻在这样低的温度下(),小到了无法测量的程度。在这一温度下,汞的电阻不是平稳地下降,而是急剧下降,当低于这一温度时,汞便完全不显示电阻了,见图1。昂尼斯认识到,,这种新的状态称为“超导态”。相应的物质(如Hg)称为超导体,后来发现许多金属及其化合物都具有超导电性。超导体失去电阻的温度称为超导转变温度或临界温度,用Tc表示。至1973年人们发现超导转变温度最高的是Nb3Ge,临界温度为23K,从此以后一直没有进展。1986年1月IBM公司在瑞士苏黎士实验室的两名研究员(Bednorz和Műller)发现了30K的超导材料。这种材料是一种氧化铜和钇加少量钡和锶、或钙的陶瓷材料,以此为基础,在国际上开始了高临界温度超导材料的研究热潮,1986年底便把超导材料的转变温度提高到了88K,首次突破使用液氮温度(77K)的大关。这两名研究员为此获得1987年诺贝尔物理奖。
图2 超导的完全抗磁性
在超导态下,电阻是真正变为零了呢,还是仅仅降低到了一很小的值?当然,实验永远不能证明电阻确实为零。任何样品的电阻可能总是恰好小于仪器的灵敏度允许探测到的电阻。一般测量方法是把电流通入超导体,再用灵敏伏特计连到线的两端,测试其电压便能测得超导体的电阻,本实验便采取此方法(所谓四线法)测试。更为灵敏的实验是,给超导环内通一电流,经过长时间观察测量后,看电流有没有衰减。设环的自感为L,若t=0时环中电流为i(O),那么,在稍后的时间t,电流应衰减为i(t)=i(O)e-(R/L)t,其中R为环的电阻。我们能测量环行电流产生的磁场并由此观测是否随时间衰减。测量磁场变化不从电路中引出能量,从而我们应能用此方法测试电流是否无限地循环下去。根据超导闭合线圈中环行电流不衰减的事实。
Gallop得出结论,超导金属的电阻率小于10-26欧姆·米(即小于室温下铜电阻率的10-18, 由此看来超导体的电阻视为零是正当的。
超导材料除失去电阻这一特性外,还有另一个重要的特性是完全逆磁性。按麦克斯韦方程:▽×E= -B/t,既然超导体内没有电阻,则可视为理想导体,因此▽×E为零,势必磁感应强度不随时间变化,即B/t=0。超导体的磁感应强度应由初始条件决定,当一块金属处于超导态,然后施加磁场,其数值小于临界磁场Bc ,此时超导体内B=0, 没有