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1、关于磁性材料与超导材料第1页，讲稿共141张，创作于星期二第一节第一节 磁性材料磁性材料具有强磁性的材料称为磁性材料。具有强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。态的功能，是重要的功能材料。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。生物与医疗等技术领域。第2页，讲稿共141张，创作于星期二n 5000年前：天然磁石年前：天然磁石(Fe3O4)n 2300年年前前：
2、天天然然磁磁石石，“司司南南”，指指南南仪仪 n 1086年：年：沈括沈括，梦溪笔谈梦溪笔谈，指南针，指南针 n 1119年：年：朱或朱或，萍洲可谈萍洲可谈，罗盘，航海，罗盘，航海 n 1405-1432年：年：郑和郑和，指南仪，航海，指南仪，航海 n 1488-1521年：年：哥伦布，伽马，麦哲伦哥伦布，伽马，麦哲伦，指南，指南 仪，航海发现仪，航海发现磁学发展史磁学发展史第3页，讲稿共141张，创作于星期二u 十七世纪：英国，威廉十七世纪：英国，威廉.吉伯吉伯，磁体磁体 u 十八世纪：法国，库仑，十八世纪：法国，库仑，库仑定律库仑定律 u 十九世纪十九世纪 1820年：丹麦，年：丹麦，奥斯
3、特奥斯特，电流产生磁场，电流产生磁场 1831年：英国，年：英国，法拉第法拉第，电磁感应现象，电磁感应现象 1873年：英国，年：英国，麦克斯韦麦克斯韦，统一电磁理论，统一电磁理论 1899年：法国，年：法国，居里居里，居里温度，磁性转变，居里温度，磁性转变第4页，讲稿共141张，创作于星期二u 二十世纪二十世纪 1905：法国，：法国，郎之万郎之万基于统计力学理论解释了顺磁基于统计力学理论解释了顺磁性随温度的变化。性随温度的变化。1907：法国，：法国，外斯外斯提出分子场理论，扩展了郎之提出分子场理论，扩展了郎之万的理论。万的理论。1921：奥地利，：奥地利，泡利泡利提出玻尔磁子作为原子磁矩
4、提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位。美国，的基本单位。美国，康普顿康普顿提出电子也具有自旋提出电子也具有自旋相应的磁矩。相应的磁矩。第5页，讲稿共141张，创作于星期二1928：英英国国，狄狄拉拉克克用用相相对对论论量量子子力力学学完完美美地地解解释释了了电电子子的的内内禀禀自自旋旋和和磁磁矩矩，并并与与德德国国物物理理学学家家海海森森伯伯一一起起证证明明了了静静电电起起源源的的交交换换力力的的存存在在，奠奠定定了了现现代代磁磁学的基础学的基础。1936：苏苏联联，郎郎道道完完成成了了巨巨著著“理理论论物物理理学学教教程程”，其其中中包包含含全全面面而而精精彩彩地地论论述述现现代代电电磁磁学学
5、和和铁铁磁磁学学的的篇篇章。章。1936-1948：法法国国，奈奈耳耳提提出出反反铁铁磁磁性性和和亚亚铁铁磁磁性性的的概概念和理论。念和理论。第6页，讲稿共141张，创作于星期二1967：奥奥地地利利，斯斯奈奈特特在在量量子子磁磁学学的的指指导导下下发发现现了了磁磁能能积积空空前前高高的的稀稀土土磁磁体体(SmCo5)，从从而而揭揭开开了了永永磁磁材料发展的新篇章材料发展的新篇章。1974：第二代稀土永磁：第二代稀土永磁Sm2Co17问世。问世。1982：第三代稀土永磁：第三代稀土永磁Nd2Fe14B问世。问世。1990：原子间隙磁体：原子间隙磁体Sm-Fe-N问世。问世。1991：德德国国，
6、克克内内勒勒提提出出了了双双相相复复合合磁磁体体交交换换作作用用的的理论基础，理论基础，指出了纳米晶磁体的发展前景指出了纳米晶磁体的发展前景。第7页，讲稿共141张，创作于星期二 磁性材料的分类磁性材料的分类 按化学组成分类按化学组成分类金属磁性材料、非金属金属磁性材料、非金属(铁氧体铁氧体)磁性材磁性材料料 按磁化率大小分类按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性铁磁性第8页，讲稿共141张，创作于星期二 按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、料、旋磁材料、
7、压磁材料、泡磁材料、磁光材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料磁记录材料 第9页，讲稿共141张，创作于星期二 磁化强度磁化强度M宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外外显示显示的磁性最强。的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显不显示示磁性。磁性。第10页，讲稿共141张，创作于星期二宏观磁体单位体积在某一方向的宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度磁矩称为磁化强度M：M=原子原子/V第11页，讲稿共141张，创作于星期二 磁化率磁化
8、率 及磁导率及磁导率 任何物质在外磁场作用下，除了任何物质在外磁场作用下，除了外磁场外磁场H外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个还要产生一个附加的磁场附加的磁场M。第12页，讲稿共141张，创作于星期二在物质内部外磁场和附加磁场的总和称在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为为磁感应强度磁感应强度B。B=o(H+M)o-真空磁导率真空磁导率 =M/H -磁化率磁化率 =B/H -磁导率磁导率 第13页，讲稿共141张，创作于星期二 铁磁性物质铁磁性物质 具有极高的磁化率，具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。磁化易达到饱和的物质。如如Fe，Co，N
9、i，Gd等金属及其合金称为等金属及其合金称为铁磁性物质。铁磁性物质。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 铁磁性铁磁性 m=10-2 106磁磁场场 磁性的起源磁性的起源第14页，讲稿共141张，创作于星期二 亚铁磁性物质亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 亚铁磁性亚铁磁性 m=10-2 106磁磁场场 如铁氧体如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，等，是一些复杂的金属化合物，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。磁化率和居
10、里温度。第15页，讲稿共141张，创作于星期二 顺磁性物质顺磁性物质 存在未成对电子存在未成对电子 永久磁永久磁矩。矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O，Gd2O3；在；在居里温度以上的铁磁性金属居里温度以上的铁磁性金属Fe,Co,Ni等。等。居里温度居里温度 由铁磁性或亚铁由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度称为居里温度(Tc)。顺磁性顺磁性 m=10-6 10-5磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 第16页，讲稿共141张，创作于星期二 反磁性物质反磁性物质 不存在未不存在未成
11、对电子成对电子 没有永久磁没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化元素的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，合物和所有的有机化合物，某些金属和非金属。某些金属和非金属。磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 反磁性反磁性 m=-10-5-10-6磁磁场场 第17页，讲稿共141张，创作于星期二 反反铁铁磁磁性性物物质质 FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各各种种锰锰盐盐以以及及部部分分铁铁氧氧体体ZnFe2O4等等，它它们们相相邻邻原原子子的的磁磁矩矩反反向向平平行行，而而且且彼彼此此的强度相等，没有磁性。的强度相等，没有磁性。反铁磁性反
12、铁磁性 m=10-2 10-5磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 第18页，讲稿共141张，创作于星期二第19页，讲稿共141张，创作于星期二 磁性材料（按功能分）磁性材料（按功能分）第20页，讲稿共141张，创作于星期二硬硬磁性材料磁性材料 外磁场撤去后，不易去磁，具有外磁场撤去后，不易去磁，具有很强的剩磁很强的剩磁 应用：永磁体应用：永磁体软软磁性材料磁性材料 外磁场撤去后，容易去磁，外磁场撤去后，容易去磁，没有明显的剩磁没有明显的剩磁 应用：电磁铁应用：电磁铁第21页，讲稿共141张，创作于星期二退磁退磁原来有磁性的物体，失去磁性的现象原来有磁性的物体，失去磁性的现象
13、方法：方法：（1 1）高温）高温（2 2）剧烈振动）剧烈振动（3 3）逐渐减弱的交变磁场的作用）逐渐减弱的交变磁场的作用第22页，讲稿共141张，创作于星期二稀土永磁材料稀土永磁材料钴钴基永磁材料基永磁材料铁铁基永磁材料基永磁材料:代表是代表是R-Fe-BR-Fe-B，如，如NdFeBNdFeB1:51:5型型 R-CoR-Co，R R代表稀土，如：代表稀土，如：SmCoSmCo5 52:17型型 R-Co，R代表稀土，如：代表稀土，如：Sm2Co17第23页，讲稿共141张，创作于星期二下面下面重点介绍一下永磁重点介绍一下永磁 NdFeBNdFeB，其典型合金成份为，其典型合金成份为NdNd
14、1515FeFe8 8B B7777 19831983年日本住友特种金属公司和美国年日本住友特种金属公司和美国GMGM公司几乎同时研制出公司几乎同时研制出NdFeBNdFeB合金。后来又用合金。后来又用CoCo替代部分替代部分FeFe，提高居里温度；用，提高居里温度；用DyDy或或TbTb取代部分取代部分Nd Nd，提高矫顽力，改善磁体的高温性能。这类稀土永磁材料的，提高矫顽力，改善磁体的高温性能。这类稀土永磁材料的性能性能特点是特点是：磁能积比非稀土永磁大磁能积比非稀土永磁大4 4倍以上倍以上,因此在相同磁能积条件下因此在相同磁能积条件下,使用稀土永磁可缩小体积使用稀土永磁可缩小体积,便于设
15、备、仪表小型化、轻量化；便于设备、仪表小型化、轻量化；矫矫顽力是铁氧体的顽力是铁氧体的3-53-5倍倍,利用此性质可以制作较薄的磁体利用此性质可以制作较薄的磁体;剩磁与剩磁与AlNiCoAlNiCo相当相当,比铁氧体高二倍。比铁氧体高二倍。目前目前,稀土永磁的应用已遍及电动机械、电器仪表与电音设备，如扬稀土永磁的应用已遍及电动机械、电器仪表与电音设备，如扬声器、传感器；磁轴承和强力磁选机；电子及离子束控制装置，如磁控制声器、传感器；磁轴承和强力磁选机；电子及离子束控制装置，如磁控制管和粒子加速器；医疗保键，如核磁共振层析仪、心脏起博器及磁疗设备管和粒子加速器；医疗保键，如核磁共振层析仪、心脏起
16、博器及磁疗设备等。整个西方世界产量的一半用于硬盘驱动器用电机。等。整个西方世界产量的一半用于硬盘驱动器用电机。第24页，讲稿共141张，创作于星期二（6 6）磁性功能材料磁性功能材料应用领域应用领域第25页，讲稿共141张，创作于星期二第26页，讲稿共141张，创作于星期二我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中其中,永磁铁氧体的产永磁铁氧体的产量达量达111011104 4,居世界首位居世界首位;软磁铁氧体产量软磁铁氧体产量4104104 4,居世界前列居世界前列;稀土永磁产量稀土永磁产量43004300,居世界第二居世界第二.但是但是,目前我国
17、生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料,与发达国家存在较大的差距，产值与产量不相称与发达国家存在较大的差距，产值与产量不相称.我国磁性材料的产量与需求我国磁性材料的产量与需求第27页，讲稿共141张，创作于星期二在在传传统统工工业业中中的应用的应用磁性磁性材料材料的应的应用用生生物物界界和和医医学学界的磁应用界的磁应用军军事事领领域域的的磁磁应用应用考考古古天天文文地地址址采采矿矿界界领域的磁应用领域的磁应用第28页，讲稿共141张，创作于星期二 磁盘存储磁盘存储 所谓磁存储就是以记录磁场方向的方式或磁场的有无来储存资料。所谓磁存储就是以记
18、录磁场方向的方式或磁场的有无来储存资料。数据在磁片上以磁化的点来表示，数据在磁片上以磁化的点来表示，被磁化的点代表被磁化的点代表1 1，没有被磁化的点代表，没有被磁化的点代表0 0第29页，讲稿共141张，创作于星期二电饭锅 日常使用的电饭锅利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。第30页，讲稿共141张，创作于星期二电磁炉电磁炉 电
19、磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。锈钢煲，铜煲就
20、不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。特点：直接发热，热效率高达90%炉面无明火，无烟无废气 电磁火力强劲，安全可靠第31页，讲稿共141张，创作于星期二传统传统工业工业第32页，讲稿共141张，创作于星期二在在医医学学上上，利利用用核核磁磁共共振振可可以以诊诊断断人人体体异异常常组组织织，判判断断疾疾病病，这这就就是是我我们们比比较较熟熟悉悉的的核核磁共振成像。磁共振成像。利利用用磁磁性性纳纳米米材材料料表表面面功功能能基基团团与与可可识识别别病病兆兆的的功功能能分分子子进进行行耦耦联联，是是实实现现磁磁性性纳纳米米晶晶体体在在疾疾病病鉴鉴别别诊诊断断中中应应用用的的最最可可行的手段之一。行
21、的手段之一。生物生物医学医学第33页，讲稿共141张，创作于星期二电电磁磁炮炮是是把把炮炮弹弹放放在在螺螺线线管管中中，螺螺线线管管产产生生的的磁磁场场对对炮炮弹弹将将产产生生巨巨大大的的推推动动力力将将炮炮弹弹射射出出的的一一种种新新型型武武器器“电电磁磁式式武武器器”。类类似的还有电磁导弹等似的还有电磁导弹等。军事军事领域领域第34页，讲稿共141张，创作于星期二磁性是从宇宙天体到基本粒子普存的学科磁性是从宇宙天体到基本粒子普存的学科地球磁场地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的地球就是一块巨大的磁铁，它的N N极在地理极在地理的南极附近，而的南极附近，而S S极在地理的北极附近极在地理的北
22、极附近.第35页，讲稿共141张，创作于星期二北北极极光光是是太太阳阳风风中中的的粒粒子子（高高能能带带电电粒粒子子流流）和和地地磁磁场场相相互互作作用用的的结结果果。当当它它们们到到达达地地球球时时，与与地地磁磁场场发发生生相相互互作作用用，使使得得这这些些粒粒子子向向南南北北极极运运动动和和聚聚集集，并并且且和和地地球球高高空空的的稀稀薄薄气气体体相相碰碰撞撞，结结果果使使气气体体分分子子受受激激发发，从从而而发发光。光。第36页，讲稿共141张，创作于星期二太太阳阳黑黑子子是是太太阳阳上上磁磁场场活活动动非非常常剧剧烈烈的的区区域域。太太阳阳黑黑子子的的爆爆发发对对我我们们的的生生活活会
23、会产产生生影影响响，例例如如使使得得无无线线电电通通信信暂暂时时中中断断等等。因因此此，研研究究太太阳阳黑黑子子对对我我们们有有重重要要意意义。义。第37页，讲稿共141张，创作于星期二磁悬浮列车 上海磁悬浮列车上海磁悬浮列车 平均时速平均时速300300公里公里/小时，最高时速小时，最高时速430430公里公里/小时小时第38页，讲稿共141张，创作于星期二 磁悬浮列车是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车。磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是电磁型，也称吸力型、常导型。另一种是电动型，也称斥力型、超导型。磁悬浮列
24、车原理磁悬浮列车原理 两种磁悬浮列车系统的结构示意图：(a)电磁型；(b)电动型 第39页，讲稿共141张，创作于星期二磁制冷冰箱磁制冷冰箱磁制冷是一种以磁性材料为磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术工质的制冷技术，基本原理，基本原理是借助磁制冷材料的磁热效是借助磁制冷材料的磁热效应即磁制冷材料等温磁化时应即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取热量，以达磁时从外界吸取热量，以达到制冷目的到制冷目的 第40页，讲稿共141张，创作于星期二第二节超导材料第二节超导材料超导材料是一种超导材料是一种没有电阻没有电阻的材料，既能的材料，既能节节约能量约能量
25、，减少电能因电阻而消耗的能量，还能，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把把电流储存电流储存起来，供急需时使用。起来，供急需时使用。第41页，讲稿共141张，创作于星期二自从世界上以自从世界上以电力电力电力电力作为作为主要动力主要动力主要动力主要动力以来，就遇到两以来，就遇到两个令人头痛的个令人头痛的问题问题问题问题：、是在输送电流时，不少、是在输送电流时，不少电力因导线有电阻电力因导线有电阻电力因导线有电阻电力因导线有电阻而而发热，白白损失了相当的能量。发热，白白损失了相当的能量。、白天白天白天白天的电力常常严重不足，而的电力常常严重不足，而深夜深夜深夜深夜的电力的电力又大大富余，使得发电机常常
26、白天超负荷运转，深夜时又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，深夜时却空转，电力白白浪费了。却空转，电力白白浪费了。第42页，讲稿共141张，创作于星期二能不能把夜间富余的能不能把夜间富余的电力储存电力储存起来用以弥起来用以弥补白天电力不足的难题呢补白天电力不足的难题呢?自从有了自从有了超导材料超导材料以来，解决这个问题就大以来，解决这个问题就大有希望了。有希望了。第43页，讲稿共141张，创作于星期二 一、超导材料的发展历程一、超导材料的发展历程1911年，科学家发现，金属的年，科学家发现，金属的电阻电阻和它和它的的温度温度条件有很大关系：条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低时
27、温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间金属电阻与温度之间的关系的关系的理论公式。的理论公式。第44页，讲稿共141张，创作于星期二当时，荷兰物理学家当时，荷兰物理学家昂尼斯昂尼斯昂尼斯昂尼斯为检验为检验金属电阻与温度金属电阻与温度之间的关系的理论公式之间的关系的理论公式的正确性，就用的正确性，就用水银水银水银水银作试验。作试验。将水银冷却到将水银冷却到-40时，亮晶晶的液体水银变成了固体；时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银
28、的电阻，当温度降低列温度下固体水银的电阻，当温度降低列4 K4 K时时时时，水银的，水银的电电电电阻突然变成了零阻突然变成了零阻突然变成了零阻突然变成了零。第45页，讲稿共141张，创作于星期二开始他不太相信这一结果、于是反复试验，开始他不太相信这一结果、于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫后来科学家把这个现象叫超导现象超导现象超导现象超导现象，把，把电阻等于电阻等于电阻等于电阻等于零的材料零的材料零的材料零的材料称称超导材料超导材料超导材料超导材料，而把出现超导现象的温度，而把出现超导现象的温度称作超导材料的
29、称作超导材料的“临界温度临界温度”。第46页，讲稿共141张，创作于星期二昂尼斯和许多科学家后来又发现了昂尼斯和许多科学家后来又发现了2828种超导元素种超导元素种超导元素种超导元素和和80008000多种超导化合物多种超导化合物多种超导化合物多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界材料。但出现超导现象的临界温度大多在温度大多在接近绝对零度接近绝对零度接近绝对零度接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值，的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。第47页，讲稿共141张，创作于星期二为了寻找为了寻找临界温度比较高临
30、界温度比较高临界温度比较高临界温度比较高的的没有电阻没有电阻没有电阻没有电阻的材料，的材料，世界上无数科学家奋斗了近世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进年，也没有取得什么进展。展。直到直到1973年，英、美一些科学家才找到一种年，英、美一些科学家才找到一种在在23K23K出现超导现象的出现超导现象的铌锗合金铌锗合金铌锗合金铌锗合金。此后这一记录又。此后这一记录又保持了保持了10多年。多年。第48页，讲稿共141张，创作于星期二到了到了1986年，在瑞士年，在瑞士IBM公司研究室工作的公司研究室工作的贝特诺贝特诺贝特诺贝特诺茨茨茨茨和和缪勒缪勒缪勒缪勒从别人多次失败中总结教训，放弃了
31、在从别人多次失败中总结教训，放弃了在金属金属金属金属和合金和合金和合金和合金中寻找超导材料的老观念，终于发现一种中寻找超导材料的老观念，终于发现一种钇钇钇钇钡铜氧陶瓷氧化物钡铜氧陶瓷氧化物钡铜氧陶瓷氧化物钡铜氧陶瓷氧化物材料在材料在43K43K这一较高温度下出现超导这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。第49页，讲稿共141张，创作于星期二此后，美籍华人学者此后，美籍华人学者朱经武朱经武，中国物理，中国物理学家学家赵忠贤赵忠贤在在1987年相继发现了在年相继发现了
32、在78.5 K 和和98 K时出现超导现象的时出现超导现象的钇钡铜氧系钇钡铜氧系高温超导材料。高温超导材料。不久又发现不久又发现铋锶钙铜氧系铋锶钙铜氧系高温超导合金，高温超导合金，在在110K的温度就有超导现象。的温度就有超导现象。第50页，讲稿共141张，创作于星期二而后而后朱经武朱经武发现的发现的铊钡钙铜氧系铊钡钙铜氧系合金的超合金的超导温度更接近室温，达导温度更接近室温，达120K。第51页，讲稿共141张，创作于星期二 199l年，美国和日本的科学家又发现了球状年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子碳分子-60在掺在掺钾钾、铯铯、钕钕等元素后，也有等元素后，也有超超导性导性。科学家预
33、料，球状碳分子科学家预料，球状碳分子-60掺杂金属后，掺杂金属后，有可能在有可能在室温下出现超导室温下出现超导现象，那时，超导材现象，那时，超导材料就有可能料就有可能像半导体材料一样像半导体材料一样，在世界引起一，在世界引起一场工业和技术革命。场工业和技术革命。第52页，讲稿共141张，创作于星期二1995年年美美国国国国立立洛洛斯斯阿阿拉拉莫莫斯斯实实验验室室的的科科学学家家已已经经把把高高温温超超导导体体制制成成柔柔韧韧的的细细带带状状，由由于没有电阻，其导电性是铜丝的于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。多倍。第53页，讲稿共141张，创作于星期二1996年，日本电气公司制出年，日本
34、电气公司制出长一千米的长一千米的高温超导线材高温超导线材，电流密度达到，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的水平。这种线材已达到了实用化的水平。第54页，讲稿共141张，创作于星期二超导材料超导材料在液氮以上温度在液氮以上温度工作，可以说是工作，可以说是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。导材料的研究仍然方兴未艾。第55页，讲稿共141张，创作于星期二二、二、超导体的三个临界参数超导体的三个临界参数1911年，荷兰物理学家
35、昂内斯年，荷兰物理学家昂内斯(Onnes H K)在成在成功地将氦气液化、获得功地将氦气液化、获得4.2K的的超低温超低温超低温超低温后，开始研究超低后，开始研究超低温条件下温条件下金属电阻的变化金属电阻的变化金属电阻的变化金属电阻的变化，结果发现：，结果发现：当温度下降至当温度下降至4.2K时，汞电阻突然消失了！时，汞电阻突然消失了！这就是超导现象，此时的这就是超导现象，此时的温度称为温度称为超导临界温度超导临界温度超导临界温度超导临界温度TcTc。第56页，讲稿共141张，创作于星期二零电阻零电阻是超导体最基本的特性，它意味着是超导体最基本的特性，它意味着电流可以在超导体内无损耗地流动电流
36、可以在超导体内无损耗地流动，使电力的无损，使电力的无损耗传输成为可能；耗传输成为可能；同时，零电阻允许有远高于常规导体的同时，零电阻允许有远高于常规导体的载载流密度流密度，可用以形成，可用以形成强磁场强磁场或或超强磁场超强磁场。第57页，讲稿共141张，创作于星期二发发现现超超导导电电性性后后，昂昂昂昂内内内内斯斯斯斯即即着着手手用用超超超超导导导导体体体体来来绕绕制制强强强强磁磁磁磁体体体体，但但出出乎乎他他的的意意料料，超超导导体体在在通通上上不不大大的的电电流流后，超导电性就被破坏了，即后，超导电性就被破坏了，即超导体具有临界电流超导体具有临界电流超导体具有临界电流超导体具有临界电流Ic
37、Ic。此后，又发现了超导体的此后，又发现了超导体的临界磁场临界磁场临界磁场临界磁场HcHc。Ic和和Hc也也是是超超导导体体的的基基本本特特性性，是是实实现现超超导导体体强强电应用的必要条件。电应用的必要条件。第58页，讲稿共141张，创作于星期二临界临界临界临界温度（温度（温度（温度（Tc）、）、临界电流（临界电流（临界电流（临界电流（IcIc）和和临界磁场（临界磁场（临界磁场（临界磁场（HcHc）是是“约束约束”超导现象的三大临界条件。超导现象的三大临界条件。三者具有明显的相关性，只有三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处于当超导体同时处于当超导体同时处于当超导体同时处于三个临界条件以内
38、三个临界条件以内三个临界条件以内三个临界条件以内，即处于如图所示的，即处于如图所示的三角锥形曲面内三角锥形曲面内三角锥形曲面内三角锥形曲面内侧侧侧侧，才具有超导电性。，才具有超导电性。第59页，讲稿共141张，创作于星期二三角锥形曲面内侧三角锥形曲面内侧超导电性的超导电性的超导电性的超导电性的T-I-HT-I-H临界面临界面临界面临界面第60页，讲稿共141张，创作于星期二超导材料基本物理特性：超导材料基本物理特性：临界温度临界温度Tc、临临界磁场界磁场Hc和和临界电流临界电流Ic三个临界值。超三个临界值。超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示超
39、导性，所以超导性，所以临界值越高临界值越高，实用性就强，利用价值，实用性就强，利用价值就越高。就越高。第61页，讲稿共141张，创作于星期二三、超导材料的基本特性三、超导材料的基本特性1零电阻效应零电阻效应2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）第62页，讲稿共141张，创作于星期二1零电阻效应零电阻效应 当温度当温度T下降至某一数值下降至某一数值以下时，超导体的以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的零电阻效应零电阻效应，也称为也称为超导电性超导电性。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。
40、第63页，讲稿共141张，创作于星期二汞在液氦温度附近电阻的变化行为汞在液氦温度附近电阻的变化行为超导临界温度超导临界温度Tc虽然与样品纯度无虽然与样品纯度无关关,但是越均匀纯净但是越均匀纯净的样品超导转变时的样品超导转变时的的电阻陡降电阻陡降电阻陡降电阻陡降越尖锐。越尖锐。第64页，讲稿共141张，创作于星期二2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）指超导体处于外界磁场中，指超导体处于外界磁场中，磁力线磁力线无法穿透，无法穿透，超导体内的超导体内的磁通量磁通量为零。为零。第65页，讲稿共141张，创作于星期二1933年，年，迈斯纳迈斯纳迈斯纳迈斯纳(Meissner
41、 W)发现，只要温度低发现，只要温度低于超导临界温度，则置于于超导临界温度，则置于外磁场中的超导体外磁场中的超导体外磁场中的超导体外磁场中的超导体就始终就始终保持其保持其内部磁场为零内部磁场为零内部磁场为零内部磁场为零，外部磁场的磁力线统统被排斥，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。在超导体之外。第66页，讲稿共141张，创作于星期二即便是原来处在磁场中的即便是原来处在磁场中的正常态正常态正常态正常态样品，当温度下降样品，当温度下降使它变成使它变成超导体超导体超导体超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即出去，即超导体具有完全抗磁性超导体具有完全抗磁性
42、超导体具有完全抗磁性超导体具有完全抗磁性。这一现象被称为。这一现象被称为迈斯迈斯迈斯迈斯纳效应纳效应纳效应纳效应，它是超导体的另一个独立的基本特性。，它是超导体的另一个独立的基本特性。第67页，讲稿共141张，创作于星期二超导体内超导体内磁感应强度磁感应强度磁感应强度磁感应强度B B总是等于零，即金属在超导电状态总是等于零，即金属在超导电状态的的磁化率磁化率磁化率磁化率为为=M/H=-1,B=0(1+)H=0。超导体内的磁化率为超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度，为磁化强度，B0 0 H)超导体的完全抗磁性如下图所示：超导体的完全抗磁性如下图所示：第68页，讲稿共141张，创作于星期二液液氮
43、氮环环境境下下的的超超导导实实验验由迈斯纳效应可知，超导体由迈斯纳效应可知，超导体在静磁场中的行为在静磁场中的行为在静磁场中的行为在静磁场中的行为可以近似可以近似地用地用“完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体”来描述。利用这一特性，可以实现来描述。利用这一特性，可以实现磁磁磁磁悬浮悬浮悬浮悬浮。第69页，讲稿共141张，创作于星期二第70页，讲稿共141张，创作于星期二仅从超导体的仅从超导体的零电阻现象零电阻现象出发，得不到出发，得不到迈斯迈斯纳效应纳效应。同样，用。同样，用迈斯纳效应迈斯纳效应也不能描述也不能描述零电零电阻现象阻现象。因此，因此，迈斯纳效应迈斯纳效应和和零电阻性质零电阻性
44、质是超导态是超导态的的两个独立的基本属性两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否超导电性必须看是否同时具有同时具有零电阻零电阻和和迈斯纳效迈斯纳效应应。第71页，讲稿共141张，创作于星期二根据上述超导材料的两个基本特征，可以看根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：出：超导体超导体是指某种物质冷却到某一温度时是指某种物质冷却到某一温度时电电阻突然变为零阻突然变为零，同时物质内部，同时物质内部失去磁通失去磁通成为完全成为完全抗磁性的物质。抗磁性的物质。第72页，讲稿共141张，创作于星期二超导材料的超导材料的组成元素组成元素组成元素组成元素有有金属金属
45、金属金属、类金属类金属类金属类金属和和非金属非金属非金属非金属元素，元素，在元素周期表上的位置如图所示。在元素周期表上的位置如图所示。第73页，讲稿共141张，创作于星期二在元素周期表相应位置的元素中，有的可在元素周期表相应位置的元素中，有的可由由单一元素单一元素制成超导材科，但绝大多数超导材料制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多种元素构成的是由多种元素构成的合金合金、化合物化合物或或陶瓷陶瓷。下表中列出了代表性的下表中列出了代表性的超导材料超导材料及及c值值。第74页，讲稿共141张，创作于星期二超导材料及超导材料及c值值第75页，讲稿共141张，创作于星期二在上述在上述超导特性超导特性被
46、发现后，对超导电性的被发现后，对超导电性的理论研究理论研究即已开始，但直到即已开始，但直到20世纪世纪50年代建立年代建立了了超导电性的微观理论超导电性的微观理论，人们才对金属超导体的，人们才对金属超导体的超导行为获得了满意的解释。超导行为获得了满意的解释。第76页，讲稿共141张，创作于星期二四、传统超导电体的超导电性理论四、传统超导电体的超导电性理论(1)唯象理论唯象理论二流体模型二流体模型伦敦方程伦敦方程金兹堡金兹堡-朗道理论朗道理论第77页，讲稿共141张，创作于星期二(2)传统超导体的微观机制传统超导体的微观机制 同位素效应同位素效应超导能隙超导能隙库柏电子对库柏电子对 相干长度相干
47、长度 BCS理论理论第78页，讲稿共141张，创作于星期二六、六、超导材料的分类超导材料的分类 常规超导体常规超导体 高温超导体高温超导体(HTS)其它类型超导体其它类型超导体第79页，讲稿共141张，创作于星期二 常规超导体常规超导体相对于相对于高温超导体高温超导体而言，而言，元素元素、合金和化合合金和化合物物的的超导转变温度较低超导转变温度较低(以液氮温度以液氮温度77K为界为界)，因此这类超导体被称为因此这类超导体被称为常规超导体常规超导体。第80页，讲稿共141张，创作于星期二 元素超导体元素超导体(50多种多种)一些元素一些元素在常压或高压下在常压或高压下具有超导电性具有超导电性能，
48、另外一些元素能，另外一些元素经特殊处理后经特殊处理后显示出超导电显示出超导电性。由于性。由于临界电流和临界磁场均较小临界电流和临界磁场均较小，所以，所以元素超导体很难实用化。元素超导体很难实用化。第81页，讲稿共141张，创作于星期二第82页，讲稿共141张，创作于星期二 合金超导体合金超导体超导合金超导合金在技术上有重要价值，它们具有在技术上有重要价值，它们具有较较高的临界温度高的临界温度和和特别高的临界磁场特别高的临界磁场以及以及临界电临界电流流。超导合金具有。超导合金具有塑性好塑性好，易于大量生产易于大量生产，成本成本低低等优点。等优点。第83页，讲稿共141张，创作于星期二最早出售的最
49、早出售的超导线材超导线材超导线材超导线材是是Nb-Zr系，用于制造系，用于制造超导超导超导超导磁体磁体磁体磁体。Nb-Zr合金具有合金具有低磁场高电流低磁场高电流低磁场高电流低磁场高电流的特点。的特点。1965年年后被后被加工性能好加工性能好加工性能好加工性能好、临界磁场高临界磁场高临界磁场高临界磁场高、成本低成本低成本低成本低的的Nb-Ti所取所取代。代。目前目前Nb-Ti系合金实用的线材使用最广，系合金实用的线材使用最广，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于用于磁流体发电机磁流体发电机大大大大型磁体型磁体型磁体型磁体。第84页，讲稿共141张，创作于星期二 化合物
50、超导体化合物超导体Nb3 Sn 和和 V3 Ga 是最先引起人们的注意的，其次是最先引起人们的注意的，其次是是Nb3 Ga、Nb3 Al、Nb3(Al Ga)。实际能够实用的只有实际能够实用的只有Nb3 Sn和和V3 Ga两种。其两种。其它的化合物因它的化合物因难于加工线材难于加工线材还不能实用。还不能实用。第85页，讲稿共141张，创作于星期二复复合合法法制制备备Nb3Sn,V3Ga线线材材第86页，讲稿共141张，创作于星期二 高温超导体高温超导体(HTS)一些复杂的一些复杂的氧化物陶瓷氧化物陶瓷具有具有高的转变温度高的转变温度，其临界温度超过了其临界温度超过了77K，可在液氮的温度下工作