材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质.ppt

2、超导态特性和超导体的性能指标,（1）超导态特性,a、完全导电性,进入超导态的超导体中一旦激发电流，长久存在、永不衰减,等势体：,体内场强：,六、材料的其它电性质,（一）超导性,1、概述,基本概念：正常态、超导态、超导性,超导理论,库伯电子对理论,氧化物高温超导材料,超导材料研发过程： 金属、合金,b、完全抗磁性,体内磁感应强度为零,正常态,超导态,内,迈斯纳效应,Meissner effect,处于超导态的超导体是抗磁体、具有屏蔽磁场、排除磁通的功能。,（2）超导材料的三个性能指标,a、超导体的临界转变温度,越接近室温越好，金属氧化物高温超导体：,b、临界磁感应强度,1,2,3,4,5,6,7,施加外磁场,超导性破坏、超导体从超导态回到正常态,临界磁感应强度,随温度变化、近似为抛物线关系,温度为绝对零度时的临界磁感应强度,超导体的临界转变温度 是不加磁场时的值,处于超导态的超导体,c、临界电流密度,除外磁场影响超导态的转变外、超导体中的电流也会影响超导态的形成,超导体中的电流在空间激发磁场、其磁场达到 时，超导态被自身磁场破坏,原因：,临界电流密度：超导态被破坏时的电流密度,随温度的变化关系：,温度为绝对零度时的临界电流密度,与临界磁感应强度完全类似,：受外磁场的影响；,：受体内电流的影响,相互影响,3、超导体的应用,研究的目的：应用,不仅能制造块状超导材料、利用物理或化学沉积已能制造薄膜超导材料,对超导器件的制造非常重要,系,金属化合物,液氮,中等工业规模开发、具有应用前景,超导体的应用：,核磁共振（NMR）成像系统， 磁悬浮列车，粒子加速器，核聚变，磁流体，电能储存系统等,高灵敏度、高速电子器件，电能输送（能耗极低），计算机、红外成像等,铌,（二）铁电性（ferroelectricity）,某些（离子）晶体具有自发极化的性质,自发极化：并无外电场作用、但体内有较强的电极化强度。,具有自发极化、且自发极化的方向可被外电场改变的晶体,铁电体：,如同铁磁体、铁电体并不一定含有铁,铁电体的 关系与铁磁体的 类似,存在类似于磁滞现象的电滞现象,电滞回线,铁晶体铁电性的起源：,如同铁磁性的起源：铁电体中存在电畴,电畴：,含有永久电偶极矩的小区，小区中个晶胞的电偶极矩方向相同,电畴具有强电偶极矩,实际铁电体的各电畴的电偶极矩方向一般不同；铁电晶体通常宏观上对外不显电性,有许多晶粒组成的铁电陶瓷更是如此,铁电体的极化：,适当的高温下、强直流电场的作用，使各电畴的电矩沿外电场的方向取向，维持外场下缓慢冷却材料到室温,适当的高温：电畴的取向可实现、又不会显著破坏已取向的电畴,维持外场、冷却到室温：,冻结已取向的偶极子,铁电体居里温度：,铁电体在某一温度以上、失去铁电性,居里温度：临界温度,典型的铁电材料：,侧视图,立体图,立方相：正负离子中心重合，晶胞无电偶极矩、无铁电性,四方相： 离子和周围 离子略向相反方向移动、产生方向向上的永久电偶极矩。,（三）压电性,1880：Piere. Curie and Jacques. Curie 首先发现,压电效应：,对 石英单晶在一些特定方向上加力、在与力垂直的平面上出现正、负束缚电荷,压电体已有超千种、可以是单晶、陶瓷（多晶）、聚合物、生物体,压电效应分为正、负压电效应：,受机械力作用的晶体，在一定方向的表面上产生束缚电荷，电荷面密度与所受的应力大小成正比,正压电效应：,与力平行或垂直,机械能转换为电能的过程,晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变（谐振）的现象,负压电效应：,石英单晶正压电效应：,1,3,5,2,4,6,未受力时：正负电中心重合,受力时：,（1）晶片受沿 y 方向的压缩力,纵向压电效应,1,3,5,2,4,6,1, 4 离子向中心；6, 5, 2, 3 离子向外移动,表面 A 出现负电荷；表面 B 呈正电荷,横向压电效应,（2）晶片受沿 x 方向的压缩力,2,4,6,1,3,5,2,4,6,未受力,6, 5, 2, 3 离子向内移动同样数值；1, 4 离子 向外移动,C 和 D 面不出现电荷；表面 A 和 B 呈现电荷,（3）晶片受沿z方向的压缩或拉伸力,正、负电荷中心始终重合，不出现束缚电荷,1,3,5,2,4,6,未受力,正压电效应本质：,外力改变了晶体中的原子或离子原来的相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩,中心对称的晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应,铁电体必具有强压电性，但压电体不一定是铁电体,压电晶体：结构上必须是无对称中心；组成上必须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子,分子晶体,无压电效应,第二节 材料的磁性质,磁性与物质的微结构密切相关，不仅取决于原子结构、还与原子键合、晶体结构有关,一、磁学基本量的回顾,平面载流线圈（圆电流）的磁矩：,电流，,线圈所围的面积,的方向与电流方向构成右手螺旋,非平面载流线圈的磁矩：,线圈的磁矩,载流线圈所受的磁力矩,载流线圈在磁场中将受磁场的作用,磁场中的小平面载流线圈或匀强磁场中的平面载流线圈：,合磁场力：,合,磁力矩：,与 方向一致时磁能最低,磁感应强度与磁场强度的关系,真空中：,磁介中：,真空磁导率,磁介质相对磁导率,磁化与磁化强度,磁化：,物质在磁场中或强或弱要显示磁性,磁化强度：,描述物质磁化强弱的物理量,定义：单位体积内分子磁矩的矢量和,分子,磁介质中 的关系,与 的宏观或实验关系,二、物质磁性的分类,五类磁介质的磁化曲线,抗磁,反铁磁,顺磁,亚铁磁,铁磁,据磁化率或相对磁导率，物质的磁性可分为：,1、抗磁体,在外磁场中显示与外场方向相反的、微弱的磁性,金属中约一半是抗磁：,等,2、顺磁体,在外磁场中显示与外场方向相同的、微弱的磁性。,Pt, Pd (钯)，奥氏体不锈钢，稀土金属：Li, Na, K, Rb (铷),3、铁磁体,五类磁介质的磁化曲线,抗磁,反铁磁,顺磁,亚铁磁,铁磁,很大、与外磁场成非线性关系变化,较弱的磁场能产生很大的磁化强度。金属：Fe, Co, Ni 等,铁磁体在温度高于某一临界温度（居里温度）变成顺磁体,4、亚铁磁体,比铁磁体稍小、具有与铁磁体类似的磁性,如：磁铁矿（Fe3O4）、铁氧体等,亚铁磁体电阻率较大、适于制作电阻率大的磁性元件,5、反铁磁体,五类磁介质的磁化曲线,抗磁,反铁磁,顺磁,亚铁磁,铁磁,很小的正数，温度低于,某温度时，磁化率同磁场的方向有关，高于这一温度时其行为同顺磁体,如： 氧化镍、,氧化锰等,三、原子磁矩、抗磁性和顺磁性的起源,1、原子磁矩,电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩,原子磁矩：,原子核磁矩：电子磁矩的几千分之一、可忽略,通常所指的原子磁矩是原子中所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和,电子轨道磁矩,电子绕原子核运动犹如一圆电流、具有磁矩,电子轨道磁矩大小：,轨道角动量,轨道半径，,电子质量，,轨道运动角速度,电子自旋磁矩,电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量满足量子化条件：,磁量子数,Z: 外磁场方向,玻尔磁子、电子磁矩的最小单位,外磁场中的取向：,两种方向相反的取向,外磁场方向和与外磁场相反的方向,原子中填满电子的壳层或次壳层形成一球对称的集体，电子轨道磁矩和自旋磁矩相互抵消,原子磁矩是原子未成对电子的轨道和自旋磁矩的矢量和,惰性气体 ，及 等无固有磁矩,具有满壳层的原