-
高温超导材料的低温热电势
引言
热电效应是金属材料的基本物理
现象之一。金属和合金的输运性质一直是人们关注的
研究的课题。长期以来主要集中于其
电导行为的研究。自从
1978
年报道
Nagel
指出测量材
料的热电势率是研究电子散射机理极其灵
敏的方法后，
近几年来热电势的研究已引起人们极
大的兴趣。自
1987
年高温超导材料发现以来，科学工作者对高温超导体的
超导机制作了大
量的研究的工作，
发现当超导材料在超导相转变
为正常相时，
许多物理特性都会发生很大的
变化。
因此，
热电势的测量也是科学工作者研究高温超导材料低温物性的重要手段之
一。
另
外，
测量材料的热电势对探索和
寻找新的热电材料也具有非常重要的实际意义。
热电势率的
测量
对基础研究和应用研究都具有重要的意义。
实验原理
（
1
）
塞贝克效应
1821
年塞贝克发现在锑与铜两种材料组成的回路中，当两个触点处于不同的温度
时，
在回路中就有电流通过。人们把产生这种的电动势叫做热电动势（见图一）
。若两种材是均
匀的，那么热电动势的大小就与两个接触点温度有关，产
生热电动势的原因主要由于：
（
a
）<
/p>
两种金属逸出功不同；
（
b
）
两种金属的电子密度不同。
从而产生电子从一种金
属穿过界面向
另一种金属的迁移，
在接点处形成了接触电势，它
与温度有关，在两接点温度不相同时，其
接触电动势的代数和不等于零。
所产生的接触电势差就是热电动势。
在两个接触点温度差不
大时热电势与温度差成正比：
E
AB
=
S
AB
Δ
T
,
式中
E
AB
为
A
，
B
两种材料所产生的热电动势；
△
T
为两接点之间的温度差，
S
AB
为
A
，
B
两种材料的相对热电动势，
S
AB
不仅取决于
A,B
两
种材料的性能，也是温度的函数。
（
2
）
温差电路的
基本性质
温差电
路具有如下的基本性质：
（
a
）只有温
度梯度不可能在成分和组织结构均匀的同
种材料组成的闭合回路中维持温差电流
;
(b)
如果整个电路的所有接头处在同一
温度下，则
任何不同的材料所组成的闭合回路的温差电动势都为零。
因此可以推论，
可以把第三种均匀
材料加到电路中，
只要它的两端处在同样的温度下，
就不会影响回路的总温差电动势。<
/p>
如图
二所示；
（
c
）两种均匀金属
A
和
B
组成的回路，温差电动势具有可加性：
E
AB
（
T
1
，
T
2
< br>）
+ E
AB
（
T
2
，
T
3
）
= E
AB
< br>（
T
1
，
T
3
）
如图三所示。
（
3
）
温差热电偶的基本连接方法
根据温差电路的基本性质，温差热电偶一般可以采用如下的方法来连接，当测量某处
的温度
T
时，可以采用图四（
< br>a
）所示的接法，其中
T
0
是参考温度，如果用一台仪器测量数
支温差热电偶的温差热电势，可
以采用图四（
b
）的接法。在上述电路中，温差热电偶线和
铜线相接的两个接头必须维持在同一个温度。
（
4
）
热电势率的测量方法
测量材
料的热电势率常用的方法有两种：
积分法和微分法。
用积分法测
量只要把试样
X
与某一参考材料
A
（低于室温，常用纯铅做参考材料）的一端相焊，组成热电偶的测两端，
插入恒温块中。试样与参考材料
A
的另一端与铜线相焊接，
组成热电偶的参考端，与液池
保持良好的热接触，使之与液池的温度
T
0
保持不变。逐渐提高恒温快的温度
T
，测量积分
T
热电势
E
AX
?
T
0
?
S
AX
dT
与温度
T
的关系，
然后求微分也可以得到热电势率
S
AX
E/T
。
若已知<
/p>
参考材料
A
的绝对热电势率
S
A
，便可由
S
AX
=S
X
-S
A
求得试样
X
的绝对热电势率
S
X
。微分法
测热电势率的原理图如图六所示。试样
X
两端分别于温度为
T
1
和
T
2
的恒温块
C
和
D
保持
良
好的热接触，
C
，
D
< br>之间的温度差
Δ
足够小， <
br>D
T<
1
和
T
2
，测量样品
X
与参考材料
A
之间的热电势
Δ
E
和温度差
Δ
T
，
则可由公式
Δ
E
AX
=
S
AX
Δ
T
求得
S
AX
。
为确保
S
AX
为某一温度
T
的热
电势率，
应使
Δ
T
通常要求
Δ
T/T
为
5%
以下。
图六为
用微分法测热电势率的实验装置原理图。
C
，
分别为两个恒温铜块，中间由聚四氟乙烯
T
支撑，每个恒温快上贴有蓝宝石片
E
，
以保
证试样
X
的端点与恒
温快有良好的热接触和电绝缘。
C
，
D
上分别绕有锰铜丝作为加热器和
用作控温的热敏元件的铜电阻温
度计和铑铁温度计，
C
，
D
的温度由计算机来进行温度控制，
并且用热屏
S<
/p>
所包围（图中未画出来）
，置于由三根聚四氟乙烯支柱
G
支撑的铜块上。
K
为<
/p>
真空底座。真空室全部泡在液氮（或者液氦）中。所有引线都通过
K
上的真空密封接头
M
引出真空室而引
向测量仪器。该测量装置可以测量固体材料在
4.2K-300K
的绝对热电势率，
测量精度可以达到
+_0.2
μ
V
(
微伏
)/K
。
（
1
）
实验装置
本实验采用积分法测量超导材料
YBa
2
Cu
3
O
7-
δ
热电势，实验装置如图七所示，样品架
用德银管与
黄铜真空室盖板（也就是真空室的上法兰）
，紫铜恒温块焊接而成。在恒温块与
真空室上法兰之间的德银管上有两个孔
.
作为引
线和抽真空用的臭气通道。德银管的上端与
真空密封接头连接，恒温块上绕有锰铜加热丝
。恒温块用电加热的方法由人工控制其温度。
真空室用保险丝作密封圈进行密封。
抽好真空后，
将真空室的真空阀门关好，
然后
将真空室
缓慢放入盛有液氮的玻璃杜瓦瓶中预冷。
放入的速度一
定不能快，
负责液氮溅出会伤害人的，
另外放入太快也会浪费液
氮。
（本实验用的温度计是铜
-
康铜热
电偶温度计，见铜
-
康铜热电
偶温度计
温度定标表，
温度计的参考点就贴在真空室的上法兰上，
因为整
个真空室都泡在液
氮中所以真空室的上法兰的温度就是液氮温度）
。将超导样品用铜线相连接，其两端分别与
恒温块（可以获得测量的温度）和从上法兰
上引过来的紫铜杆（参考温度）相接触（注意既
要保持良好的热接触好要做到电绝缘）<
/p>
。所有引线用铜漆包线，经德银管真空密封接头引到
室温测量仪器
上。
图
7
积分法测量热电势的实验装置结构图
样品热电势
E
和铜
-
康铜热电偶的热电势
E
cu-con
,
分别由两台
< br>KEITHLY
数字多用表来测量。
该表的电压分辨率为
0.1
μ
V.
直流稳压电源为样品提供加热功率，测量线路的方柜图如图
8
所
示。
图
8.
测量线路的方柜图
(2)
实验内容
为了使同学们对高温超导材料的超导特性有更进一步的了解，本试验直接测量的量是
对于固定的参考温度（液氮温度）在不同的测量点（即恒温块）温度下，高温超导材料
Y
Ba
2
Cu
3
O
7-
δ
样品在不同温度下的温差热电
势。由于超导材料
YBa
2
Cu
3
O
7-
δ
在其临界温度附
近存在一个从超导相到正常相的相变过程，
其温差热电势在其临界温度附近也有一个突然的
变化。因此用测量温差热电势
的方法也可以检测超导材料的
T
c.
测
量端的温度是用温差热电
偶（本实验用的是铜
-
康铜热电偶温度计）的温差热电势
E
cu-con
的值来确定的（可以常看讲
义中的铜
-
康铜热电偶温度计用液氮作为参考点的温度定表，也可以通过计算机用已经拟合
好的温度计算公式来进行计算得到温度）
。
在
77-300K
的温度范围内，测量高温超
导材料
YBa
2
Cu
< br>3
O
7-
δ
样品的温差热电势与温度的
关系
.
(3)
实验步骤
(a)
将待测样品用低温胶
(
导热
比较好
)
粘贴到测量点和参考点之间
(
粘贴时要保证样品和
样品架
,
参考点之间的电绝缘
).
(b)
用保险丝将真空室密封
,
在室温下抽真空
,
当真空度达到机械泵的极限真空时
(
一般为
10
-4
mmHg
(
毫米汞柱
)
量级
)
关紧真空室的阀门
.
然后缓慢放
入盛有液氮的玻璃杜瓦瓶内
,
让真
空室
自然冷却到液氮温度
;(a,b
两步在实验前又实验老师提前准
备就绪
)
(c)
测量液氮温度时的铜
-
康铜热电偶温度计的温差热电势
E<
/p>
cu-con,
并对其进行校准
;(
若整
个恒温器都冷却到了液氮温度，说测
量的铜
-
康铜热电偶温度计的温差热电势
E
cu-con
应该为
零，
如果不为零，
那么所测量的温差热电势则是由整个回路所产生的寄生电动
势或者是数字
电压表的零点未调整好而引起的，这时可将数字电压表重新调整，令其输入
为零。
（
d
）
打开直流稳压电源，
通过调整直流稳压电源的输出电压给恒温
块上的加热器提供加
热功率以达到给样品升温的目的。由于超导材料
YBa
2
Cu
3
< br>O
7-
δ
样品相变温度范围
Δ
T
很窄，
如果想
要得到很好的热电势随温度变化的曲线则要求数据点越多越好，
所以本实验不要求控
温，用两台数字电压表同时读出样品和温度计的热电势值，这样就可以测量出更多的数据。<
/p>
测量顺序为铜
-
康铜热电偶温度计的热电
势
E
cu-con,
,
高温超导材料
YBa
2
Cu<
/p>
3
O
7-
δ
样品的温差热
电势
.
记录铜
-
康铜热电偶温度计的热电势和超导样品的热电势
,
以便测量完毕后作图
.
< br>
-
-
-
-
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