磁性材料和超導(dǎo)材料

1、關(guān)于磁性材料與超導(dǎo)材料第一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 磁性材料具有強(qiáng)磁性的材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。 磁性材料廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。第二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 5000年前：天然磁石(Fe3O4) 2300年前：天然磁石，“司南”，指南儀 1086年：沈括，夢溪筆談，指南針 1119年：朱或，萍洲可談，羅盤，航海 1405-1432年：鄭和，指南儀，航海 1488-1521年：哥倫布，伽馬，麥哲倫，指南 儀，航海發(fā)

2、現(xiàn)磁學(xué)發(fā)展史第三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 十七世紀(jì)：英國，威廉.吉伯 ，磁體 十八世紀(jì)：法國，庫侖， 庫侖定律 十九世紀(jì) 1820年：丹麥，奧斯特，電流產(chǎn)生磁場 1831年：英國，法拉第，電磁感應(yīng)現(xiàn)象 1873年：英國，麥克斯韋，統(tǒng)一電磁理論 1899年：法國，居里，居里溫度，磁性轉(zhuǎn)變第四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 二十世紀(jì) 1905：法國，郎之萬基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論解釋了順磁性隨溫度的變化。 1907：法國，外斯提出分子場理論，擴(kuò)展了郎之萬的理論。 1921：奧地利，泡利提出玻爾磁子作為原子磁矩的基本單位。美國，康普頓提出電子也具有自旋相應(yīng)的磁矩。 第五

3、張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1928：英國，狄拉克用相對論量子力學(xué)完美地解釋了電子的內(nèi)稟自旋和磁矩，并與德國物理學(xué)家海森伯一起證明了靜電起源的交換力的存在，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)。 1936：蘇聯(lián)，郎道完成了巨著“理論物理學(xué)教程”，其中包含全面而精彩地論述現(xiàn)代電磁學(xué)和鐵磁學(xué)的篇章。 1936-1948：法國，奈耳提出反鐵磁性和亞鐵磁性的概念和理論。 第六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1967：奧地利，斯奈特在量子磁學(xué)的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了磁能積空前高的稀土磁體(SmCo5)，從而揭開了永磁材料發(fā)展的新篇章。 1974：第二代稀土永磁Sm2Co17問世。 1982：第三代

4、稀土永磁Nd2Fe14B問世。 1990：原子間隙磁體Sm-Fe-N問世。 1991：德國，克內(nèi)勒提出了雙相復(fù)合磁體交換作用的理論基礎(chǔ)，指出了納米晶磁體的發(fā)展前景。第七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁性材料的分類 按化學(xué)組成分類金屬磁性材料、非金屬(鐵氧體)磁性材料 按磁化率大小分類順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性第八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 按功能分類軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料 第九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁化強(qiáng)度M宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成

5、。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時，宏觀磁體對外顯示的磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時，宏觀磁體對外不顯示磁性。第十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強(qiáng)度M： M = 原子/V第十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁化率及磁導(dǎo)率任何物質(zhì)在外磁場作用下，除了外磁場H外，由于物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個附加的磁場M。第十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在物質(zhì)內(nèi)部外磁場和附加磁場的總和稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。 B = o(H+M) o - 真空磁導(dǎo)率 = M / H - 磁化率 = B / H - 磁導(dǎo)率 第十三張，PP

6、T共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 鐵磁性物質(zhì) 具有極高的磁化率，磁化易達(dá)到飽和的物質(zhì)。如Fe，Co， Ni， Gd等金屬及其合金稱為鐵磁性物質(zhì)。 磁矩的排列與磁性的關(guān)系 鐵磁性m= 10-2 106磁場 磁性的起源第十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 亞鐵磁性物質(zhì)磁矩的排列與磁性的關(guān)系 亞鐵磁性m= 10-2 106磁場 如鐵氧體(M2+Fe23+O4)等，是一些復(fù)雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見。它們相鄰原子的磁矩反向平行，但彼此的強(qiáng)度不相等，具有高磁化率和居里溫度。第十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 順磁性物質(zhì) 存在未成對電子 永久磁矩。La，Pr，M

7、nAl，F(xiàn)eSO47H2O， Gd2O3 ；在居里溫度以上的鐵磁性金屬Fe, Co, Ni等。 居里溫度 由鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度稱為居里溫度(Tc)。順磁性m=10-6 10-5磁場 磁矩的排列與磁性的關(guān)系 第十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 反磁性物質(zhì) 不存在未成對電子 沒有永久磁矩。惰性氣體，不含過渡元素的離子晶體，共價化合物和所有的有機(jī)化合物，某些金屬和非金屬。磁矩的排列與磁性的關(guān)系 反磁性m= -10-5 -10-6磁場 第十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 反鐵磁性物質(zhì) FeO，F(xiàn)eF3，NiF3，NiO，MnO，各種錳鹽以及部分鐵

8、氧體ZnFe2O4等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強(qiáng)度相等，沒有磁性。反鐵磁性m= 10-2 10-5磁場 磁矩的排列與磁性的關(guān)系 第十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁性材料（按功能分） 第二十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月硬磁性材料 外磁場撤去后，不易去磁，具有很強(qiáng)的剩磁 應(yīng)用：永磁體軟磁性材料 外磁場撤去后，容易去磁，沒有明顯的剩磁 應(yīng)用：電磁鐵第二十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月退磁原來有磁性的物體，失去磁性的現(xiàn)象方法：（1）高溫（2）劇烈振動（3）逐漸減弱的交變磁場的作用

9、第二十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月稀土永磁材料鈷基永磁材料鐵基永磁材料:代表是R-Fe-B，如NdFeB1:5型 R-Co，R代表稀土，如：SmCo52:17型 R-Co，R代表稀土，如：Sm2Co17第二十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月下面重點(diǎn)介紹一下永磁 NdFeB，其典型合金成份為Nd15Fe8B77 1983年日本住友特種金屬公司和美國GM公司幾乎同時研制出NdFeB合金。后來又用Co替代部分Fe，提高居里溫度；用Dy或Tb取代部分Nd ，提高矯頑力，改善磁體的高溫性能。這類稀土永磁材料的性能特點(diǎn)是：磁能積比非稀土永磁大4倍以上,因此在相同磁能積條

10、件下,使用稀土永磁可縮小體積,便于設(shè)備、儀表小型化、輕量化；矯頑力是鐵氧體的3-5倍,利用此性質(zhì)可以制作較薄的磁體;剩磁與AlNiCo相當(dāng),比鐵氧體高二倍。 目前,稀土永磁的應(yīng)用已遍及電動機(jī)械、電器儀表與電音設(shè)備，如揚(yáng)聲器、傳感器；磁軸承和強(qiáng)力磁選機(jī)；電子及離子束控制裝置，如磁控制管和粒子加速器；醫(yī)療保鍵，如核磁共振層析儀、心臟起博器及磁療設(shè)備等。整個西方世界產(chǎn)量的一半用于硬盤驅(qū)動器用電機(jī)。 第二十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（6） 磁性功能材料應(yīng)用領(lǐng)域第二十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月我國磁性材料的

11、生產(chǎn)在國際上占有重要的地位.其中,永磁鐵氧體的產(chǎn)量達(dá)11104,居世界首位;軟磁鐵氧體產(chǎn)量4104,居世界前列;稀土永磁產(chǎn)量4300,居世界第二.但是,目前我國生產(chǎn)的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料,與發(fā)達(dá)國家存在較大的差距，產(chǎn)值與產(chǎn)量不相稱.我國磁性材料的產(chǎn)量與需求第二十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用磁性材料的應(yīng)用生物界和醫(yī)學(xué)界的磁應(yīng)用軍事領(lǐng)域的磁應(yīng)用考古天文地址采礦界領(lǐng)域的磁應(yīng)用第二十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁盤存儲 所謂磁存儲就是以記錄磁場方向的方式或磁場的有無來儲存資料。數(shù)據(jù)在磁片上以磁化的點(diǎn)來表示，被磁化的點(diǎn)代表1，沒

12、有被磁化的點(diǎn)代表0第二十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電飯鍋 日常使用的電飯鍋利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱。第三十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電磁爐 電磁爐的內(nèi)部有一個金屬線圈，當(dāng)電流通過線圈時，會產(chǎn)生磁場。這一隨時間變化的磁場導(dǎo)致在金屬煲內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電場。金屬煲內(nèi)的電子受電場影響進(jìn)行運(yùn)動

13、。由于有電阻，電子運(yùn)動時會放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。 金屬煲的電阻必須足夠大，才能產(chǎn)生足夠的熱量，所以一般只能選用鐵和不銹鋼煲，銅煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。 特點(diǎn)： 直接發(fā)熱，熱效率高達(dá)90% 爐面無明火，無煙無廢氣 電磁火力強(qiáng)勁，安全可靠第三十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月傳統(tǒng)工業(yè)第三十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在醫(yī)學(xué)上，利用核磁共振可以診斷人體異常組織，判斷疾病，這就是我們比較熟悉的核磁共振成像。利用磁性納米材料表面功能基團(tuán)與可識別病兆的功能分子進(jìn)行耦聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)磁性納米晶體在疾病鑒別診斷中應(yīng)用的最可行的手段之一。生物醫(yī)學(xué)第三

14、十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電磁炮是把炮彈放在螺線管中，螺線管產(chǎn)生的磁場對炮彈將產(chǎn)生巨大的推動力將炮彈射出的一種新型武器“電磁式武器”。類似的還有電磁導(dǎo)彈等。軍事領(lǐng)域第三十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月磁性是從宇宙天體到基本粒子普存的學(xué)科地球磁場地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近. 第三十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月北極光是太陽風(fēng)中的粒子（高能帶電粒子流）和地磁場相互作用的結(jié)果。當(dāng)它們到達(dá)地球時，與地磁場發(fā)生相互作用，使得這些粒子向南北極運(yùn)動和聚集，并且和地球高空的稀薄氣體相碰撞，結(jié)果使氣體分子受

15、激發(fā)，從而發(fā)光。第三十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月太陽黑子是太陽上磁場活動非常劇烈的區(qū)域。太陽黑子的爆發(fā)對我們的生活會產(chǎn)生影響，例如使得無線電通信暫時中斷等。因此，研究太陽黑子對我們有重要意義。第三十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月磁懸浮列車 上海磁懸浮列車 平均時速300公里/小時，最高時速430公里/小時第三十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 磁懸浮列車是運(yùn)用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車。 磁懸浮列車也有兩種相應(yīng)的形式：一種是電磁型，也稱吸力型、常導(dǎo)型。另一

16、種是電動型，也稱斥力型、超導(dǎo)型。 磁懸浮列車原理 兩種磁懸浮列車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)電磁型；(b)電動型 第三十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月磁制冷冰箱磁制冷是一種以磁性材料為工質(zhì)的制冷技術(shù) ，基本原理是借助磁制冷材料的磁熱效應(yīng)即磁制冷材料等溫磁化時向外界放出熱量，而等溫退磁時從外界吸取熱量，以達(dá)到制冷目的 第四十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié)超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是一種沒有電阻的材料，既能節(jié)約能量，減少電能因電阻而消耗的能量，還能把電流儲存起來，供急需時使用。 第四十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月自從世界上以電力作為主要動力以來，就遇到

17、兩個令人頭痛的問題：、是在輸送電流時，不少電力因?qū)Ь€有電阻而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰?。、白天的電力常常?yán)重不足，而深夜的電力又大大富余，使得發(fā)電機(jī)常常白天超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，深夜時卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費(fèi)了。第四十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月能不能把夜間富余的電力儲存起來用以彌補(bǔ)白天電力不足的難題呢?自從有了超導(dǎo)材料以來，解決這個問題就大有希望了。第四十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 一、超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程1911年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬的電阻和它的溫度條件有很大關(guān)系：溫度高時，它的電阻就增加，溫度低時電阻減少。并總結(jié)出一個金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式。第四十四張

18、，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)時，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯為檢驗(yàn)金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，就用水銀作試驗(yàn)。將水銀冷卻到-40時，亮晶晶的液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并繼續(xù)降低溫度，同時測量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低列4 K時，水銀的電阻突然變成了零。第四十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月開始他不太相信這一結(jié)果、于是反復(fù)試驗(yàn)，但都是一樣。這一發(fā)現(xiàn)轟動了世界的物理學(xué)界，后來科學(xué)家把這個現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象，把電阻等于零的材料稱超導(dǎo)材料，而把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度稱作超導(dǎo)材料的“臨界溫度”。第四十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年

19、6月昂尼斯和許多科學(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8000多種超導(dǎo)化合物材料。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的臨界溫度大多在接近絕對零度的極低溫，沒有什么經(jīng)濟(jì)價值，因?yàn)橹圃爝@種極低的溫度，本身就很花錢而又很困難。 第四十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月為了尋找臨界溫度比較高的沒有電阻的材料，世界上無數(shù)科學(xué)家奮斗了近60年，也沒有取得什么進(jìn)展。直到1973年，英、美一些科學(xué)家才找到一種在23K出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的鈮鍺合金。此后這一記錄又保持了10多年。第四十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月到了1986年，在瑞士IBM公司研究室工作的貝特諾茨和繆勒從別人多次失敗中總結(jié)教訓(xùn)，放棄了在金屬和

20、合金中尋找超導(dǎo)材料的老觀念，終于發(fā)現(xiàn)一種釔鋇銅氧陶瓷氧化物材料在43K這一較高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。這是一個了不起的成就，因此他們兩人同時獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。 第四十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月此后，美籍華人學(xué)者朱經(jīng)武，中國物理學(xué)家趙忠賢在1987年相繼發(fā)現(xiàn)了在78.5 K 和98 K時出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的釔鋇銅氧系高溫超導(dǎo)材料。不久又發(fā)現(xiàn)鉍鍶鈣銅氧系高溫超導(dǎo)合金，在110K的溫度就有超導(dǎo)現(xiàn)象。第五十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月而后朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系合金的超導(dǎo)溫度更接近室溫，達(dá)120K。第五十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 1

21、99l年，美國和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子-60在摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性?？茖W(xué)家預(yù)料，球狀碳分子-60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，那時，超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一樣，在世界引起一場工業(yè)和技術(shù)革命。第五十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1995年美國國立洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)把高溫超導(dǎo)體制成柔韌的細(xì)帶狀，由于沒有電阻，其導(dǎo)電性是銅絲的1200多倍。第五十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1996年，日本電氣公司制出長一千米的高溫超導(dǎo)線材，電流密度達(dá)到6000A/cm2，這種線材已達(dá)到了實(shí)用化的水平。第五十四張，PPT共一百四十一

22、頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)材料在液氮以上溫度工作，可以說是20世紀(jì)內(nèi)科學(xué)技術(shù)上的重大突破，也是超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展史上的一個新的里程碑。至今，對高溫超導(dǎo)材料的研究仍然方興未艾。第五十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、 超導(dǎo)體的三個臨界參數(shù)1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(Onnes H K)在成功地將氦氣液化、獲得4.2K的超低溫后，開始研究超低溫條件下金屬電阻的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度下降至4.2K時，汞電阻突然消失了！這就是超導(dǎo)現(xiàn)象，此時的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。第五十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月零電阻是超導(dǎo)體最基本的特性，它意味著電流可以在超導(dǎo)體內(nèi)無損耗地流

23、動，使電力的無損耗傳輸成為可能；同時，零電阻允許有遠(yuǎn)高于常規(guī)導(dǎo)體的載流密度，可用以形成強(qiáng)磁場或超強(qiáng)磁場。 第五十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，昂內(nèi)斯即著手用超導(dǎo)體來繞制強(qiáng)磁體，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞了，即超導(dǎo)體具有臨界電流Ic。此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的臨界磁場Hc。Ic和Hc也是超導(dǎo)體的基本特性，是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體強(qiáng)電應(yīng)用的必要條件。 第五十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月臨界溫度（Tc）、臨界電流（Ic ）和臨界磁場（Hc ）是“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。三者具有明顯的相關(guān)性，只有當(dāng)超導(dǎo)體同時處于三個臨界條件以

24、內(nèi)，即處于如圖所示的三角錐形曲面內(nèi)側(cè)，才具有超導(dǎo)電性。 第五十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三角錐形曲面內(nèi)側(cè)超導(dǎo)電性的T-I-H臨界面第六十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)材料基本物理特性： 臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic三個臨界值。超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時才顯示超導(dǎo)性，所以臨界值越高，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價值就越高。第六十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、超導(dǎo)材料的基本特性1零電阻效應(yīng)2超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）第六十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1零電阻效應(yīng) 當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值以下時，超導(dǎo)

25、體的電阻突然變?yōu)榱悖@就稱為超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，也稱為超導(dǎo)電性。下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。第六十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月汞在液氦溫度附近電阻的變化行為超導(dǎo)臨界溫度Tc雖然與樣品純度無關(guān),但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時的電阻陡降越尖銳。 第六十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量為零。第六十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1933年，邁斯納(Meissner W)發(fā)現(xiàn)，只要溫度低于超導(dǎo)臨界溫度，則置于外磁場中的超導(dǎo)體就始終保持其內(nèi)部磁場為零，外

26、部磁場的磁力線統(tǒng)統(tǒng)被排斥在超導(dǎo)體之外。第六十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月即便是原來處在磁場中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)體時，也會把原來在體內(nèi)的磁場完全排出去，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。這一現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)，它是超導(dǎo)體的另一個獨(dú)立的基本特性。第六十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B總是等于零，即金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為=M/H=-1, B=0(1+ )H=0。超導(dǎo)體內(nèi)的磁化率為-1(M為磁化強(qiáng)度，B0 0H)超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：第六十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)由邁斯納效應(yīng)可知，

27、超導(dǎo)體在靜磁場中的行為可以近似地用“完全抗磁體”來描述。利用這一特性，可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮。第六十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月僅從超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)，得不到邁斯納效應(yīng)。同樣，用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象。因此，邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個獨(dú)立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。 第七十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個基本特征，可以看出：超導(dǎo)體是指某種物質(zhì)冷卻到某一溫度時電阻突然變?yōu)榱?，同時物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。第七十二

28、張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)材料的組成元素有金屬、類金屬和非金屬元素，在元素周期表上的位置如圖所示。第七十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由單一元素制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的合金、化合物或陶瓷。下表中列出了代表性的超導(dǎo)材料及c值。第七十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)材料及c值第七十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在上述超導(dǎo)特性被發(fā)現(xiàn)后，對超導(dǎo)電性的理論研究即已開始，但直到20世紀(jì)50年代建立了超導(dǎo)電性的微觀理論，人們才對金屬超導(dǎo)體的超導(dǎo)行為獲得了滿意的解釋。第

29、七十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月四、傳統(tǒng)超導(dǎo)電體的超導(dǎo)電性理論(1) 唯象理論二流體模型倫敦方程金茲堡-朗道理論第七十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 傳統(tǒng)超導(dǎo)體的微觀機(jī)制 同位素效應(yīng)超導(dǎo)能隙庫柏電子對 相干長度 BCS理論第七十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月六、 超導(dǎo)材料的分類 常規(guī)超導(dǎo)體 高溫超導(dǎo)體(HTS) 其它類型超導(dǎo)體第七十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 常規(guī)超導(dǎo)體相對于高溫超導(dǎo)體而言，元素、合金和化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低 (以液氮溫度77K為界)，因此這類超導(dǎo)體被稱為常規(guī)超導(dǎo)體。第八十張，PPT共一百四十

30、一頁，創(chuàng)作于2022年6月 元素超導(dǎo)體(50多種)一些元素在常壓或高壓下具有超導(dǎo)電性能，另外一些元素經(jīng)特殊處理后顯示出超導(dǎo)電性。由于臨界電流和臨界磁場均較小，所以元素超導(dǎo)體很難實(shí)用化。 第八十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 合金超導(dǎo)體超導(dǎo)合金在技術(shù)上有重要價值，它們具有較高的臨界溫度和特別高的臨界磁場以及臨界電流。超導(dǎo)合金具有塑性好，易于大量生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點(diǎn)。第八十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月最早出售的超導(dǎo)線材是Nb-Zr系，用于制造超導(dǎo)磁體。Nb-Zr合金具有低磁場高電流的特點(diǎn)。1965年后被加工性

31、能好、臨界磁場高、成本低的Nb-Ti所取代。目前Nb-Ti系合金實(shí)用的線材使用最廣，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體。 第八十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 化合物超導(dǎo)體Nb3 Sn 和 V3 Ga 是最先引起人們的注意的，其次是Nb3 Ga、Nb3 Al、Nb3 (Al Ga)。實(shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥蠳b3 Sn和V3 Ga兩種。其它的化合物因難于加工線材還不能實(shí)用。 第八十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月復(fù)合法制備Nb3Sn,V3Ga線材第八十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 高溫超導(dǎo)體(HTS

32、) 一些復(fù)雜的氧化物陶瓷具有高的轉(zhuǎn)變溫度，其臨界溫度超過了77K，可在液氮的溫度下工作，稱為高溫超導(dǎo)體。第八十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(C)螢石(F型)(AX2) (a)巖鹽(R型)(AX) (b)鈣鈦礦(P型)(ABX)超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)第八十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月許多銅氧化物超導(dǎo)體是由R型、P型與F型基本結(jié)構(gòu)單元依次聯(lián)結(jié)構(gòu)筑而成，通常都是沿c軸平行地重復(fù)構(gòu)造而得，每個單元中有二維的“CuO2席位”兩個以上。第八十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 (a) (Nd1-xSrx)(Nd1-yCey)CuO4-x (b) (La1-x

33、Ax)CuO4 (A=Ca,Sr,Ba) (c)YBa2Cu4O8 第九十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第九十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 其它類型超導(dǎo)體 堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體 有機(jī)超導(dǎo)體非晶超導(dǎo)材料重費(fèi)米子超導(dǎo)體金屬間化合物(RTB)超導(dǎo)體 復(fù)合超導(dǎo)材料 超導(dǎo)陶瓷材料第九十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 堿金屬摻雜的C60超導(dǎo)體C60具有極高的穩(wěn)定性，當(dāng)C60中摻入堿金屬時，人們發(fā)現(xiàn)在一些特定成分上可以形成富勒烯結(jié)構(gòu)。通過與各種堿金屬原子的結(jié)合，AxC60的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高到30K以上，超導(dǎo)溫度最高RbCs2C60的臨界轉(zhuǎn)變溫度為

34、33K。第九十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 有機(jī)超導(dǎo)體第一個被發(fā)現(xiàn)的有機(jī)超導(dǎo)體是(TMTSF)2PF6，盡管這種有機(jī)鹽的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.9K，但是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。第九十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(TMTSF)2PF6The first organic superconductor discovered. 第九十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月組成有機(jī)超導(dǎo)體的四類化合物： 第九十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月非晶超導(dǎo)材料非晶態(tài)超導(dǎo)體的研究主要包括非晶態(tài)簡單金屬及其合金和非晶態(tài)過渡金屬及

35、其合金。它們具有高度均勻性、高強(qiáng)度、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。第九十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長程無序性對其超導(dǎo)電性的影響很大，能使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc提高，這是由于非晶態(tài)超導(dǎo)體與晶態(tài)超導(dǎo)體的不同所引起的。非晶態(tài)過渡金屬及合金的性質(zhì)比簡單金屬更為復(fù)雜。第九十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月重費(fèi)米子超導(dǎo)體 重費(fèi)米子超導(dǎo)體是20世紀(jì)70年代末期發(fā)現(xiàn)的，它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.7K。第九十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月由于這類超導(dǎo)體的低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。因此，推斷出這類超導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量比自由電子(

36、費(fèi)米子)的質(zhì)量重幾百甚至幾千倍，因此稱為重費(fèi)米子超導(dǎo)體。重費(fèi)米子超導(dǎo)體的研究對于超導(dǎo)電機(jī)制研究有重大意義。第一百張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月金屬間化合物(R-T-B-)超導(dǎo)體20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)稀土-過渡元素-硼組成的金屬間化合物具有超導(dǎo)電性。這類超導(dǎo)體表現(xiàn)出鐵磁性與超導(dǎo)電性共存的復(fù)雜現(xiàn)象，因此又稱為磁性超導(dǎo)體。第一百零一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在金屬間化合物(RTB)超導(dǎo)體中，以鉛鉬硫(PbMoS8)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高。后來人們又制備出YNi4B超導(dǎo)體和YNi2B2C超導(dǎo)體等等，四元素硼碳金屬間化合物的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到23K。第一百零二張，PPT

37、共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 復(fù)合超導(dǎo)材料許多超導(dǎo)體與良導(dǎo)體可以進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)而形成復(fù)合超導(dǎo)材料。復(fù)合超導(dǎo)材料可以承載更大的電流、減少退化效應(yīng)、增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性、提高機(jī)械強(qiáng)度和超導(dǎo)性能等。第一百零三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月復(fù)合超導(dǎo)體有超導(dǎo)電纜、復(fù)合線、復(fù)合帶、超導(dǎo)細(xì)線復(fù)合線等等，其主要由超導(dǎo)材料以及良導(dǎo)體、填充料、絕緣層以及高強(qiáng)度材料包覆層和屏蔽層六部分組成。第一百零四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 超導(dǎo)陶瓷材料人們在探索具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)陶瓷材料方面取得突破，發(fā)現(xiàn)Ba-La-Cu-O體系和Ba-Y-Cu-O體系的超導(dǎo)陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了液氮溫度超

38、導(dǎo)?，F(xiàn)在許多人正在研究更高臨界溫度的超導(dǎo)陶瓷材料。第一百零五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月七、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的用途，大致可分為以下三類：（）大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）；（）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）；（）抗磁性應(yīng)用。第一百零六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月大電流應(yīng)用主要是指超群的超導(dǎo)磁體用于超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能等三方面。電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。第一百零七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零

39、電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。第一百零八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)磁體可以制作:A、交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)輸電線路第一百零九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月A、交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場強(qiáng)度提高到5萬6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。第一百一十張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高510倍，達(dá)1萬

40、兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50。 第一百一十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月、磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)同樣離不開超導(dǎo)強(qiáng)磁體的幫助。磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強(qiáng)度為5萬6萬高斯的強(qiáng)磁場而發(fā)電。第一百一十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。 第一百一十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月、超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。第一百一十四張，PPT共一百四十一

41、頁，創(chuàng)作于2022年6月?lián)y(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。 第一百一十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)貯能超導(dǎo)材料在輸送電流時，不會損耗電力，故用它可把作發(fā)電機(jī)可以做得很小。第一百一十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月例如一臺普通大型發(fā)電機(jī)需用1520噸銅絲繞成線圈，如果用超導(dǎo)材料作線圈，只要幾百克就夠了，而發(fā)出的電力卻一樣。因此，超導(dǎo)材料是一種極好的節(jié)能材料和儲能材料。第一百一十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月19

42、87年，美國國防部為適應(yīng)“星球大戰(zhàn)”的需要，決定建立一個用超導(dǎo)材料儲能的蓄電裝置。在和平時期可向居民供電，在有導(dǎo)彈襲來時，可為激光武器供電，用激光摧毀導(dǎo)彈。 第一百一十八張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月因?yàn)槌瑢?dǎo)材料沒有電阻，它的蓄能效率高，可以回收98的多余電力，而且反應(yīng)速度快。一旦需要電力，在0.3秒內(nèi)就可從超導(dǎo)儲能線圈中把電流引出來送到任何電網(wǎng)。這對星球大戰(zhàn)時所需電力是非常重要的。第一百一十九張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月美國已設(shè)計(jì)并著手建造一個可以儲存500萬千瓦小時的巨型圈。它的直徑有1568米，儲存的電力足以供幾十萬人口的城市照明用電。第一百二十張，PP

43、T共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)材料之所以能儲存電能是因?yàn)樗鼪]有電阻，只要把電“注入”超導(dǎo)線圈，電流就可以無休止地在線圈中流動也不會有損耗。第一百二十一張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。第一百二十二張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)

44、體來制作晶體管。 第一百二十三張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。 第一百二十四張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月磁懸浮列車上的磁鐵不是常見的那種永久磁鐵，而是電磁鐵。電磁鐵外有一個用導(dǎo)線繞成的線圈，線圈中有電流通過時，鐵就產(chǎn)生磁力，只要線圈中一斷電，鐵就立即失去磁力。第一百二十五張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月電磁鐵的線圈有兩種，一種是普通的銅導(dǎo)線繞成的，另

45、一種則是用超導(dǎo)材料導(dǎo)線制成的。要想把幾十上百噸的列車懸空浮起來，電磁鐵之間的排斥力起碼得有幾十上百噸。而電磁鐵之間的排斥力和通過電磁線圈中的電流有直接關(guān)系，也就是說，只有通過很大的電流，才能產(chǎn)生很大的磁力。第一百二十六張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 但普通的銅導(dǎo)線有電阻，電流一大，銅導(dǎo)線就會發(fā)熱，電流過大時，還可能使導(dǎo)線燒毀。所以銅導(dǎo)線通過的電流大小受到限制，例如直徑1毫米的銅導(dǎo)線，只能通過6安培左右的電流，否則就會過熱燒毀。 第一百二十七張，PPT共一百四十一頁，創(chuàng)作于2022年6月為了使銅導(dǎo)線通過更大的電流，需要加大導(dǎo)線直徑，增加冷卻設(shè)備，這樣就會使磁懸浮列車本身的重量加重，這對提高列車的行駛速度不利。怎樣才能使磁懸浮列車本身的重量減輕，又能讓電磁鐵產(chǎn)生很大的磁力呢?這似乎是一個難以克服的固難。但自從有了超導(dǎo)材料后