磁性材料与超导材料

第二章磁性材料与超导材料第一节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。5000年前：天然磁石(Fe3O4)2300年前：天然磁石，“司南”，指南仪1086年：沈括，《梦溪笔谈》，指南针1119年：朱或，《萍洲可谈》，罗盘，航海1405-1432年：郑和，指南仪，航海1488-1521年：哥伦布，伽马，麦哲伦，指南仪，航海发现磁学发展史十七世纪：英国，威廉.吉伯，《磁体》十八世纪：法国，库仑，库仑定律十九世纪1820年：丹麦，奥斯特，电流产生磁场1831年：英国，法拉第，电磁感应现象1873年：英国，麦克斯韦，统一电磁理论1899年：法国，居里，居里温度，磁性转变二十世纪1905：法国，郎之万基于统计力学理论解释了顺磁性随温度的变化。1907：法国，外斯提出分子场理论，扩展了郎之万的理论。1921：奥地利，泡利提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位。美国，康普顿提出电子也具有自旋相应的磁矩。1928：英国，狄拉克用相对论量子力学完美地解释了电子的内禀自旋和磁矩，并与德国物理学家海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在，奠定了现代磁学的基础。1936：苏联，郎道完成了巨著“理论物理学教程”，其中包含全面而精彩地论述现代电磁学和铁磁学的篇章。1936-1948：法国，奈耳提出反铁磁性和亚铁磁性的概念和理论。1967：奥地利，斯奈特在量子磁学的指导下发现了磁能积空前高的稀土磁体(SmCo5)，从而揭开了永磁材料发展的新篇章。1974：第二代稀土永磁Sm2Co17问世。1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B问世。1990：原子间隙磁体Sm-Fe-N问世。1991：德国，克内勒提出了双相复合磁体交换作用的理论基础，指出了纳米晶磁体的发展前景。⑴磁性材料的分类①按化学组成分类金属磁性材料、非金属(铁氧体)磁性材料②按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性③按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料⑵磁化强度M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，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度M：M=∑原子/V⑶磁化率及磁导率任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个附加的磁场M。在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度B。B=o(H+M)o--真空磁导率=M/H--磁化率=B/H--磁导率①铁磁性物质具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁磁性物质。磁矩的排列与磁性的关系铁磁性m=10-2~106磁场⑷磁性的起源②亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系亚铁磁性m=10-2~106磁场如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。③顺磁性物质存在未成对电子→永久磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO4·7H2O，Gd2O3…；在居里温度以上的铁磁性金属Fe,Co,Ni等。居里温度由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度(Tc)。顺磁性m=10-6~10-5磁场磁矩的排列与磁性的关系④反磁性物质不存在未成对电子→没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和非金属。磁矩的排列与磁性的关系反磁性m=-10-5~-10-6磁场⑤反铁磁性物质FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。反铁磁性m=10-2~10-5磁场磁矩的排列与磁性的关系⑸磁性材料（按功能分）硬磁性材料外磁场撤去后，不易去磁，具有很强的剩磁应用：永磁体软磁性材料外磁场撤去后，容易去磁，没有明显的剩磁应用：电磁铁退磁原来有磁性的物体，失去磁性的现象方法：（1）高温（2）剧烈振动（3）逐渐减弱的交变磁场的作用稀土永磁材料钴基永磁材料铁基永磁材料: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下面重点介绍一下永磁NdFeB，其典型合金成份为Nd15Fe8B771983年日本住友特种金属公司和美国GM公司几乎同时研制出NdFeB合金。后来又用Co替代部分Fe，提高居里温度；用Dy或Tb取代部分Nd，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特点是：①磁能积比非稀土永磁大4倍以上,因此在相同磁能积条件下,使用稀土永磁可缩小体积,便于设备、仪表小型化、轻量化；②矫顽力是铁氧体的3-5倍,利用此性质可以制作较薄的磁体;③剩磁与AlNiCo相当,比铁氧体高二倍。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等。整个西方世界产量的一半用于硬盘驱动器用电机。（6）磁性功能材料应用领域我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中,永磁铁氧体的产量达11×104ｔ,居世界首位;软磁铁氧体产量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁产量4300ｔ,居世界第二.但是,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.我国磁性材料的产量与需求在传统工业中的应用磁性材料的应用生物界和医学界的磁应用军事领域的磁应用考古天文地址采矿界领域的磁应用•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。数据在磁片上以磁化的点来表示，被磁化的点代表1，没有被磁化的点代表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，安全可靠传统工业在医学上，利用核磁共振可以诊断人体异常组织，判断疾病，这就是我们比较熟悉的核磁共振成像。利用磁性纳米材料表面功能基团与可识别病兆的功能分子进行耦联，是实现磁性纳米晶体在疾病鉴别诊断中应用的最可行的手段之一。生物医学电磁炮是把炮弹放在螺线管中，螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力将炮弹射出的一种新型武器“电磁式武器”。类似的还有电磁导弹等。军事领域磁性是从宇宙天体到基本粒子普存的学科地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近.北极光是太阳风中的粒子（高能带电粒子流）和地磁场相互作用的结果。当它们到达地球时，与地磁场发生相互作用，使得这些粒子向南北极运动和聚集，并且和地球高空的稀薄气体相碰撞，结果使气体分子受激发，从而发光。太阳黑子是太阳上磁场活动非常剧烈的区域。太阳黑子的爆发对我们的生活会产生影响，例如使得无线电通信暂时中断等。因此，研究太阳黑子对我们有重要意义。磁悬浮列车上海磁悬浮列车平均时速300公里/小时，最高时速430公里/小时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是一种以磁性材料为工质的制冷技术，基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取热量，以达到制冷目的第二节超导材料超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。自从世界上以电力作为主要动力以来，就遇到两个令人头痛的问题：１、是在输送电流时，不少电力因导线有电阻而发热，白白损失了相当的能量。２、白天的电力常常严重不足，而深夜的电力又大大富余，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。能不能把夜间富余的电力储存起来用以弥补白天电力不足的难题呢?自从有了超导材料以来，解决这个问题就大有希望了。一、超导材料的发展历程1911年，科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。当时，荷兰物理学家昂尼斯为检验金属电阻与温度之间的关系的理论公式的正确性，就用水银作试验。将水银冷却到-40℃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，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低列4K时，水银的电阻突然变成了零。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，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料称超导材料，而把出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度”。昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，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。为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。直到1973年，英、美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的铌锗合金。此后这一记录又保持了10多年。到了1986年，在瑞士IBM公司研究室工作的贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，终于发现一种钇钡铜氧陶瓷氧化物材料在43K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1987年的诺贝尔物理学奖。此后，美籍华人学者朱经武，中国物理学家赵忠贤在1987年相继发现了在78.5K和98K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。不久又发现铋锶钙铜氧系高温超导合金，在110K的温度就有超导现象。而后朱经武发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更接近室温，达120K。199l年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子Ｃ-60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。科学家预料，球状碳分子Ｃ--60掺杂金属后，有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。1995年美国国立洛斯阿拉莫斯实验室的科学家已经把高温超导体制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。1996年，日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的水平。超导材料在液氮以上温度工作，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。二、超导体的三个临界参数1911年，荷兰物理学家昂内斯(OnnesHK)在成功地将氦气液化、获得4.2K的超低温后，开始研究超低温条件下金属电阻的变化，结果发现：当温度下降至4.2K时，汞电阻突然消失了！这就是