1、第二章第二章 磁性材料与超导材料磁性材料与超导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。量状态的功能，是重要的功能材料。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、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、航空航自动化、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。天、农业、生物与医疗等技术领域。n 5000年前：天然磁石年前：天然磁石(Fe3O4)n 2300年前：天然磁石，年前：天然磁石，“司南司南”，指南，指南仪仪 n 1086年：年：沈
2、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
3、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基于统计力学理论解释了顺磁性随温度的变化。顺磁性随温度的变化。1907：法国，：法国，外斯外斯提出分子场理论，扩展了郎提出分子场理论，扩展了郎之万的理论。之万的理论。1921：奥地利，：奥地利，泡利泡利提出玻尔磁子作为原子磁提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位。美国，矩的基本单位。美国，康普顿康普顿提出电子也具有提出电子也具有自旋相应的磁矩。自旋相应的磁矩。1928
4、：英国，：英国，狄拉克狄拉克用相对论量子力学完美地解用相对论量子力学完美地解释了电子的内禀自旋和磁矩，并与德国物理学家释了电子的内禀自旋和磁矩，并与德国物理学家海森伯海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在，一起证明了静电起源的交换力的存在，奠奠定了现代磁学的基础定了现代磁学的基础。1936：苏联，：苏联，郎道郎道完成了巨著完成了巨著“理论物理学教理论物理学教程程”，其中包含全面而精彩地论述，其中包含全面而精彩地论述现代电磁学现代电磁学和和铁磁学铁磁学的篇章。的篇章。1936-1948：法国，：法国，奈耳奈耳提出提出反铁磁性和亚铁磁性反铁磁性和亚铁磁性的概念和理论。的概念和理论。1967：奥地利
5、，：奥地利，斯奈特斯奈特在量子磁学的指导下发现在量子磁学的指导下发现了磁能积空前高的了磁能积空前高的稀土磁体稀土磁体(SmCo5)，从而，从而揭开揭开了永磁材料发展的新篇章了永磁材料发展的新篇章。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：德国，：德国，克内勒克内勒提出了双相复合磁体交换作提出了双相复合磁体交换作用的理论基础，用的理论基础，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。按化学组成分类按化学组成分类金属磁性材料、
6、非金属金属磁性材料、非金属(铁氧体铁氧体)磁性磁性材料材料 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、反铁磁顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性性、亚铁磁性 按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、磁材料、旋磁材料、压磁材料、泡磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料磁光材料、磁记录材料 宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外体对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
7、当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外外不显示不显示磁性。磁性。宏观磁体单位体积在某一方向宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度的磁矩称为磁化强度M：M=原子原子/V任何物质在外磁场作用下，除了任何物质在外磁场作用下，除了外外磁场磁场H外，由于物质内部原子磁矩的有外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个序排列，还要产生一个附加的磁场附加的磁场M。在物质内部外磁场和附加磁场的总和在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为称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 铁磁性物质铁磁性物质 具有极高的磁化具有极高的磁化率
8、，磁化易达到饱和率，磁化易达到饱和的物质。的物质。如如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称等金属及其合金称为铁磁性物质。为铁磁性物质。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磁场磁场 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磁场磁场 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它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。具有高磁
9、化率和居里温度。顺磁性物质顺磁性物质 存在未成对电子存在未成对电子 永久永久磁矩。磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO47H2O，Gd2O3；在居里温度以上的铁磁性在居里温度以上的铁磁性金属金属Fe,Co,Ni等。等。居里温度居里温度 由铁磁性或亚由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度界温度称为居里温度(Tc)。顺磁性顺磁性 m=10-6 10-5磁场磁场 反磁性物质反磁性物质 不存在不存在未成对电子未成对电子 没有永没有永久磁矩。惰性气体，不久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的，共价化合物和所有的有机化合物，某些
10、金属有机化合物，某些金属和非金属。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磁场磁场 反 铁 磁 性 物 质反 铁 磁 性 物 质 FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种，各种锰盐以及部分铁氧锰盐以及部分铁氧体体ZnFe2O4等，它们等，它们相邻原子的磁矩反相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此向平行，而且彼此的强度相等，没有的强度相等，没有磁性。磁性。反铁磁性反铁磁性 m=10-2 10-5磁场磁场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系 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
11、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
12、，R代表稀土，如：代表稀土，如：Sm2Co17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NdNd1515FeFe8 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公司几乎同时研制公司几乎同时研制出出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NdNd ，提高矫顽力，改善磁体的高温性能。这类，提高矫顽力，改善磁体的高温性能。这类稀土永磁材料的稀土永磁材料的性能特点是性能特点是：磁能积
13、比非稀土永磁大磁能积比非稀土永磁大4 4倍以倍以上上,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,便于便于设备、仪表小型化、轻量化；设备、仪表小型化、轻量化；矫顽力是铁氧体的矫顽力是铁氧体的3-53-5倍倍,利用利用此性质可以制作较薄的磁体此性质可以制作较薄的磁体;剩磁与剩磁与AlNiCoAlNiCo相当相当,比铁氧体高比铁氧体高二倍。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；电子及离子设备，如扬声器、传感器；磁轴承和强力磁选机；电子及离子束
14、控制装置，如磁控制管和粒子加速器；医疗保键，如核磁共束控制装置，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等。整个西方世界产量的一振层析仪、心脏起博器及磁疗设备等。整个西方世界产量的一半用于硬盘驱动器用电机。半用于硬盘驱动器用电机。（6 6）磁性功能材料磁性功能材料应用领域应用领域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,永磁铁永磁铁氧体的产量达氧体的产量达111110104 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4 410104 4,居世界前列居世界前列;稀土永磁产量稀土永磁产量43004300,
15、居世界第二居世界第二.但是但是,目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料材料,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在传统工业中在传统工业中的应用的应用磁性材料磁性材料的应用的应用生物界和医学生物界和医学界的磁应用界的磁应用军事领域的磁军事领域的磁应用应用考古天文地址采矿考古天文地址采矿界领域的磁应用界领域的磁应用 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录磁场方向的方式或磁场的有无来储存资料
16、。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。电磁炉电磁炉 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
17、。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。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能电场影响进行运动。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。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。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。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
18、靠传统传统工业工业在医学上，利用在医学上，利用核磁共振核磁共振可以诊断人体异常组织，可以诊断人体异常组织，判断疾病，这就是我们比判断疾病，这就是我们比较熟悉的核磁共振成像。较熟悉的核磁共振成像。利用利用磁性纳米材料磁性纳米材料表面功能表面功能基团与可识别病兆的功能分基团与可识别病兆的功能分子进行耦联，是实现磁性纳子进行耦联，是实现磁性纳米晶体在疾病鉴别诊断中应米晶体在疾病鉴别诊断中应用的最可行的手段之一。用的最可行的手段之一。生物生物医学医学电磁炮是把炮弹放在螺线管电磁炮是把炮弹放在螺线管中，螺线管产生的磁场对炮中，螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力将炮弹将产生巨大的推动力将炮弹射出的一
19、种新型武器弹射出的一种新型武器“电电磁式武器磁式武器”。类似的还有电。类似的还有电磁导弹等磁导弹等。军事军事领域领域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极在极在地理的南极附近，而地理的南极附近，而S S极在地理的北极极在地理的北极附近附近.北极光北极光是太阳风中的是太阳风中的粒子（高能带电粒子流）粒子（高能带电粒子流）和地磁场相互作用的结和地磁场相互作用的结果。当它们到达地球时，果。当它们到达地球时，与地磁场发生相互作用，与地磁场发生相互作用，使得这些粒子向南北极使得这些粒子向南北
20、极运动和聚集，并且和地运动和聚集，并且和地球高空的稀薄气体相碰球高空的稀薄气体相碰撞，结果使气体分子受撞，结果使气体分子受激发，从而发光。激发，从而发光。太阳黑子太阳黑子是太阳上是太阳上磁场活动非常剧烈的磁场活动非常剧烈的区域。太阳黑子的爆区域。太阳黑子的爆发对我们的生活会产发对我们的生活会产生影响，例如使得无生影响，例如使得无线电通信暂时中断等。线电通信暂时中断等。因此，研究太阳黑子因此，研究太阳黑子对我们有重要意义。对我们有重要意义。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 磁悬浮列车是运用磁
21、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 磁制冷冰箱磁制冷冰箱磁制冷是一种以磁性材料磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术为工质的制冷技术，基本，基本原理是借助磁制冷材料的原理是借助磁制冷材料的磁热效应即磁制冷材料等磁热效应即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，温磁化时向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取而等温退磁时从外界吸取热量，以达到
22、制冷目的热量，以达到制冷目的 超导材料是一种超导材料是一种的材料，既的材料，既能能，减少电能因电阻而消耗的能，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把量，还能把起来，供急需时使用。起来，供急需时使用。自从世界上以自从世界上以作为作为以来，就遇以来，就遇到两个令人头痛的到两个令人头痛的：、是在输送电流时，不少、是在输送电流时，不少而发热，白白损失了相当的能量。而发热，白白损失了相当的能量。、的电力常常严重不足，而的电力常常严重不足，而的电的电力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，力又大大富余，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。深夜时却空转，电力白白浪费了。能不能把夜间富
23、余的能不能把夜间富余的起来用以起来用以弥补白天电力不足的难题呢弥补白天电力不足的难题呢?自从有了自从有了以来，解决这个问题以来，解决这个问题就大有希望了。就大有希望了。1911年，科学家发现，金属的年，科学家发现，金属的和和它的它的条件有很大关系：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。并总结出一个时电阻减少。并总结出一个的理论公式。的理论公式。当时，荷兰物理学家当时，荷兰物理学家为检验为检验金属电阻与金属电阻与温度之间的关系的理论公式温度之间的关系的理论公式的正确性，就用的正确性，就用作作试验。试验。将水银冷却到将水银冷却到-40时，亮晶晶
24、的液体水银变时，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，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低列度降低列，水银的，水银的。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，把，把称称，而把出现超导现象的，而把出现超导现象的温度称作超导材料的温度称作超导材料的“临界温度临界温度”。昂尼斯和许多科学家后来又发现了昂尼斯和许多
25、科学家后来又发现了和和材料。但出现超导现材料。但出现超导现象的临界温度大多在象的临界温度大多在的极低温，没的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。身就很花钱而又很困难。为了寻找为了寻找的的的材的材料，世界上无数科学家奋斗了近料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没年，也没有取得什么进展。有取得什么进展。直到直到1973年，英、美一些科学家才找到年，英、美一些科学家才找到一种在一种在出现超导现象的出现超导现象的。此后。此后这一记录又保持了这一记录又保持了10多年。多年。到了到了1986年，在瑞士年，在瑞士IBM公司研究
26、室工作的公司研究室工作的和和从别人多次失败中总结教训，放从别人多次失败中总结教训，放弃了在弃了在中寻找超导材料的老观念，终中寻找超导材料的老观念，终于发现一种于发现一种材料在材料在这一这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成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就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物年的诺贝尔物理学奖。理学奖。此后，美籍华人学者此后，美籍华人学者，中国物，中国物理学家理学家在在1987年相继发现了在年相继发现了在 和和时出现超导现象的时出现超导现象的高温高温超导材料。超导材料。不久又发现不久又发现高温超导合高温超导合金，在金，在的温度
27、就有超导现象。的温度就有超导现象。而后而后发现的发现的合金合金的超导温度更接近室温，达的超导温度更接近室温，达。199l年，美国和日本的科学家又发现了年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子球状碳分子在掺在掺、等元素后，等元素后，也有也有。科学家预料，球状碳分子科学家预料，球状碳分子-60掺杂金掺杂金属后，有可能在属后，有可能在现象，那时，现象，那时，超导材料就有可能超导材料就有可能，在世，在世界引起一场工业和技术革命。界引起一场工业和技术革命。1995年美国国立年美国国立实验室的实验室的科学家已经把科学家已经把制成柔韧的细带状，制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的由于没有电阻，其
28、导电性是铜丝的1200多倍。多倍。1996年，日本电气公司制出年，日本电气公司制出，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，这种线材已达到了实用化的水平。水平。超导材料超导材料工作，可以说工作，可以说是是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超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，导技术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。对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。1911年，荷兰物理学家昂内斯年，荷兰物理学家昂内斯(Onnes H K)在成功地将氦气液化、获得在成功地将氦气液化、获得4.2K的的后，开后，开始
29、研究超低温条件下始研究超低温条件下，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！这就这就是超导现象，此时的温度称为是超导现象，此时的温度称为。是超导体最基本的特性，它意味是超导体最基本的特性，它意味着着，使电，使电力的无损耗传输成为可能；力的无损耗传输成为可能；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，可用以形成，可用以形成或或。发现超导电性后，发现超导电性后，即着手用即着手用来来绕制绕制，但出乎他的意料，超导体在通上不，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后，超导电性就被破坏了，即大的电流后，超导电性就被破坏
30、了，即。此后，又发现了超导体的此后，又发现了超导体的。Ic和和Hc也是也是超导体的基本特性超导体的基本特性，是实现超导，是实现超导体强电应用的必要条件。体强电应用的必要条件。Tc）、）、）和和）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，即处于如图所示的，即处于如图所示的，才具有超导电性。，才具有超导电性。三角锥形曲面内侧三角锥形曲面内侧超导材料基本物理特性：超导材料基本物理特性：、和和三个临界值。三个临界值。超导材料只有处在这些临界值以下的状态时超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示超导性，所以才显示超导性，所以
31、，实用性就，实用性就强，利用价值就越高。强，利用价值就越高。当温度当温度T以下时，超导体以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的的电阻突然变为零，这就称为超导体的，也称为，也称为。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。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虽然与样品纯度虽然与样品纯度无关无关,但是越均匀但是越均匀纯净的样品超导转纯净的样品超导转变时的变时的越越尖锐。尖锐。指超导体处于外界磁场中，指超导体处于外界磁场中，无法穿无法穿透，超导体内的透，超导体内的为零。为零。1933年，年，(Meissn
32、er W)发现，只要温发现，只要温度低于超导临界温度，则置于度低于超导临界温度，则置于就始终保持其就始终保持其，外部磁场的磁力线，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。统统被排斥在超导体之外。即便是原来处在磁场中的即便是原来处在磁场中的样品，当温度样品，当温度下降使它变成下降使它变成时，也会把原来在体内的磁场时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即完全排出去，即。这一现象。这一现象被称为被称为，它是超导体的另一个独立的基，它是超导体的另一个独立的基本特性。本特性。超导体内超导体内总是等于零，即金属在超导电总是等于零，即金属在超导电状态的状态的为为=M/H=-1,B=0(1+)H=0。超导体内
33、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：液氮环境下的超导实验液氮环境下的超导实验由迈斯纳效应可知，超导体由迈斯纳效应可知，超导体可可以近似地用以近似地用“”来描述。利用这一特性，来描述。利用这一特性，可以实现可以实现。仅从超导体的仅从超导体的出发，得不到出发，得不到。同样，用。同样，用也不能描也不能描述述。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质是超导是超导态的态的，衡量一种材料是，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否否具有超导电性必须看是否零电阻零电阻和和迈斯纳效应迈斯纳效应。根据
34、上述超导材料的两个基本特征，可根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：以看出：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，同时物质内部，同时物质内部成成为完全抗磁性的物质。为完全抗磁性的物质。超导材料的超导材料的有有、和和元素，在元素周期表上的位置如图所示。元素，在元素周期表上的位置如图所示。在元素周期表相应位置的元素中，有的在元素周期表相应位置的元素中，有的可由可由制成超导材科，但绝大多数超制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多种元素构成的导材料是由多种元素构成的、或或。下表中列出了代表性的下表中列出了代表性的及及。超导材料及超导材料及c值值在上述在上述被发现后，对超导电性被
35、发现后，对超导电性的的即已开始，但直到即已开始，但直到20世纪世纪50年代年代建立了建立了，人们才对金属，人们才对金属超导体的超导行为获得了满意的解释。超导体的超导行为获得了满意的解释。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 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 相干长度相干长度 BCS理论理论 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相对于相对于而言，而言，元素元素、合金和合金和化合物化合物的的(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。一些元素一些元素具有超导具有
36、超导电性能，另外一些元素电性能，另外一些元素显示显示出超导电性。由于出超导电性。由于，所以元素超导体很难实用化。，所以元素超导体很难实用化。在技术上有重要价值，它们具有在技术上有重要价值，它们具有和和以及以及。超导合金具有。超导合金具有，等优点。等优点。最早出售的最早出售的是是Nb-Zr系，用于制系，用于制造造。Nb-Zr合金具有合金具有的的特点。特点。1965年后被年后被、的的Nb-Ti所取代。所取代。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用于用于磁磁流体发电机流体发电机。和和 是最先引起人们的注意的，
37、是最先引起人们的注意的，其次是其次是、。实际能够实用的只有实际能够实用的只有和和两种。两种。其它的化合物因其它的化合物因还不能实用。还不能实用。复合法制备复合法制备Nb3Sn,V3Ga线材线材 一些复杂的一些复杂的具有具有，其临界温度超过了，其临界温度超过了77K，可在液氮的温，可在液氮的温度下工作，称为度下工作，称为。(C)萤石萤石(F型型)(AX2)(a)岩盐岩盐(R型型)(AX)(b)钙钛矿钙钛矿(P型型)(ABX)许多许多是由是由R型、型、P型与型与F型型依次联结依次联结构筑而成，通常构筑而成，通常都是都是而得，每个单元而得，每个单元中有中有两个以上。两个以上。(a)(Nd1-xSrx
38、)(Nd1-yCey)CuO4-x (b)(La1-xAx)CuO4(A=Ca,Sr,Ba)(c)YBa2Cu4O8 C60具有极高的稳定性，当具有极高的稳定性，当C60中中时，时，人们发现人们发现在一些特定成分上在一些特定成分上可以形成富勒烯结构。可以形成富勒烯结构。通过与各种碱金属原子的结合，通过与各种碱金属原子的结合，AxC60的的已经提高到已经提高到以上，超导温度最高以上，超导温度最高RbCs2C60的临界转变温度为的临界转变温度为33K。第一个被发现的第一个被发现的是是(TMTSF)2PF6，尽，尽管这种有机盐的管这种有机盐的只有只有，但是，它，但是，它的发现预示了一个的发现预示了一
39、个的出现。的出现。(TMTSF)2PF6The first organic superconductor discovered.组成有机超导体的四类化合物组成有机超导体的四类化合物：非晶态超导体的研究主要包括非晶态超导体的研究主要包括及其及其和和及其及其。它们具有它们具有、等优点。等优点。非晶态结构的非晶态结构的对其对其的影的影响很大，能使有些物质的超导转变温度响很大，能使有些物质的超导转变温度Tc提高，提高，这是由于这是由于非晶态超导体与晶态超导体的不同非晶态超导体与晶态超导体的不同所引所引起的。起的。的性质比的性质比更更为复杂。为复杂。重费米子超导体是重费米子超导体是20世纪世纪70年代年
40、代末期发现的，它的末期发现的，它的只有只有。由于这类超导体的由于这类超导体的非常大，非常大，是普通金属的几百甚至几千倍。因此，推断出这是普通金属的几百甚至几千倍。因此，推断出这类超导体的类超导体的比比重几百甚至几千倍，因此称重几百甚至几千倍，因此称。的研究对于的研究对于研究研究有重大意义。有重大意义。20世纪世纪70年代，人们发现年代，人们发现具有超导电性。这类超导体具有超导电性。这类超导体表现出表现出的复杂现象，因此的复杂现象，因此又称为又称为。在金属间化合物在金属间化合物(RTB)超导体中，超导体中，以以的的超导转变温度最高超导转变温度最高。后来人们又制备出后来人们又制备出YNi4B超导体
41、和超导体和YNi2B2C超导体等等，四元素超导体等等，四元素的超导的超导转变温度达到转变温度达到。复合超导材料复合超导材料许多许多与与可以进行可以进行，进而，进而形成形成。可以可以、和和等。等。有有超导电缆超导电缆、复合线复合线、复合带复合带、超超导细线导细线复合线等等，其主要由复合线等等，其主要由以及以及、以及高强度以及高强度和和六六部分组成。部分组成。人们在探索具有人们在探索具有的的超导陶瓷材超导陶瓷材料料方面取得突破，发现方面取得突破，发现体系和体系和体系的体系的超导陶瓷材料超导陶瓷材料，实现了，实现了液氮温度液氮温度超导。超导。现在许多人正在研究现在许多人正在研究的超导陶瓷的超导陶瓷材
42、料。材料。高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：（）（）应用（强电应用）；应用（强电应用）；（）（）应用（弱电应用）；应用（弱电应用）；（）（）应用。应用。主要是指主要是指用用于于、和和等三方面。等三方面。包括包括、等；等；主要应用于主要应用于和和等。等。超导材料最诱人的应用是超导材料最诱人的应用是、和和。由于超导材料由于超导材料在超导状态下在超导状态下具有具有和和，因此只需，因此只需，就可以获得，就可以获得10万万高斯以上的高斯以上的。而用而用做磁体，要产生这么大的磁场，需做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗要消耗3.5兆瓦的兆瓦的及及，投资巨大。，
43、投资巨大。可以制作可以制作:、在电力领域，利用在电力领域，利用可以将可以将发电机的磁场强度发电机的磁场强度提高到提高到5万万6万高斯，并万高斯，并且几乎且几乎，这种发电机便是，这种发电机便是。超导发电机超导发电机的的比比常规常规发电机发电机提高提高510倍，达倍，达1万兆瓦，而万兆瓦，而却减少却减少1/2，整机，整机减轻减轻1/3，提高提高50。、同样离不开同样离不开的的帮助。磁流体发电机发电，是利用帮助。磁流体发电机发电，是利用（等离子体）作（等离子体）作，并，并磁磁场强度为场强度为5万万6万高斯的万高斯的而发电。而发电。磁流体发电机的磁流体发电机的非常非常，用于磁流体发电的用于磁流体发电的
44、还还可可。超导材料还可以用于制作超导材料还可以用于制作和和，从而把，从而把几乎无损几乎无损耗地耗地给用户。给用户。据统计，目前的据统计，目前的导线输电，约有导线输电，约有15%的电能损耗在的电能损耗在上，光是在中国，上，光是在中国，每年的电力损失即达每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。发电厂。超导材料超导材料在在时，不会损耗电时，不会损耗电力，故用它可把作力，故用它可把作可以可以做得很小做得很小。例如一台普通大型发电机需用例如一台普通大型发电机需用1520吨铜丝绕吨铜丝绕成线圈，如果用成线
45、圈，如果用超导材料超导材料作线圈，只要几百克就够作线圈，只要几百克就够了，而发出的电力却一样。因此，了，而发出的电力却一样。因此，是一种是一种极好的极好的和和。1987年，美国国防部为适应年，美国国防部为适应“星球大战星球大战”的的需要，决定建立一个需要，决定建立一个。在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可，用激光摧毁导弹。，用激光摧毁导弹。因为因为没有电阻，它的没有电阻，它的，可，可以回收以回收98的多余电力，而且的多余电力，而且。一旦需。一旦需要电力，在要电力，在0.3秒秒内就可从内就可从中把电流引中把电流引出来送到任何电网。这对星球大战时出来
46、送到任何电网。这对星球大战时所需电力所需电力是非是非常重要的。常重要的。美国已设计并着手建造一个可以储存美国已设计并着手建造一个可以储存500万千万千瓦小时的瓦小时的。它的直径有。它的直径有1568米，储存的电米，储存的电力足以供几十万人口的城市照明用电。力足以供几十万人口的城市照明用电。超导材料之所以能超导材料之所以能是因为是因为，只要，只要，。高速计算机要求高速计算机要求集成电路集成电路和和密集排列，但密集排列，但在工在工作时会作时会，而，而是超大规模集是超大规模集成电路面临的难题。成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模超导计算机中的超大规模，其，其用用和和来制作，不存在散热问题，同时计
47、算机的来制作，不存在散热问题，同时计算机的大大提高。大大提高。此外，科学家正研究用此外，科学家正研究用来制来制造造晶体管晶体管，甚至完全用，甚至完全用来制作来制作。利用超导材料的利用超导材料的，将，将放放在一块在一块的上方，由于磁体的磁力线的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，不能穿过超导体，磁体和超导体之间磁体和超导体之间会产生会产生，使超导体，使超导体在磁体上方。利用这在磁体上方。利用这种种可以制作高速超导磁悬浮列车。可以制作高速超导磁悬浮列车。磁悬浮列车上的磁悬浮列车上的不是常见的那种永不是常见的那种永久磁铁，而是久磁铁，而是。电磁铁外电磁铁外有一个用导线绕成的有一个用导线绕成的，线，
48、线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中一断电，铁就立即失去磁力。圈中一断电，铁就立即失去磁力。有两种，一种是有两种，一种是绕绕成的，另一种则是用成的，另一种则是用制成的。制成的。要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁之间的排斥力起码得有几十上百吨。之间的排斥力起码得有几十上百吨。而电磁铁之间的而电磁铁之间的和通过电磁线圈中的和通过电磁线圈中的有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，才能产生很大的磁力。才能产生很大的磁力。但普通的但普通的，铜导线就，铜导线就会会，电流
49、过大时，还可能使，电流过大时，还可能使。所以。所以铜导线通过的电流大小受到限制，例如直径铜导线通过的电流大小受到限制，例如直径1毫米毫米的铜导线，只能通过的铜导线，只能通过6安培左右的电流，否则就会安培左右的电流，否则就会过热烧毁。过热烧毁。为了使为了使，需要，需要，这样就会使，这样就会使本身本身的重量的重量，这对提高列车的行驶速度不利。，这对提高列车的行驶速度不利。怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能让电磁铁产生很大的磁力呢让电磁铁产生很大的磁力呢?这似乎是一个难以克这似乎是一个难以克服的固难。但自从有了超导材料后，就克服了这一服的固难。但自从有了
50、超导材料后，就克服了这一困难。困难。因为因为，多大的电流通过它，多大的电流通过它也也，也，也。因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究和开发和开发。超导磁悬浮列车因为超导磁悬浮列车因为，只有空气产生的阻力，因此时速可达到，只有空气产生的阻力，因此时速可达到650公里，和普通的民航飞机的速度差不多。公里，和普通的民航飞机的速度差不多。如果将如果将装在装在中运行，中运行，速度可达每小时速度可达每小时1600公里，比超音速飞机还快。公里，比超音速飞机还快。但建造这种隧道很难，因而不易实现。但建造这种隧道很难，因而不易实现。我国在我国在开始研制磁悬浮列车，并
