材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件

1、材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件2、超导态特性和超导体的性能指标、超导态特性和超导体的性能指标（1）超导态特性）超导态特性a、完全导电性、完全导电性进入超导态的超导体中一旦激进入超导态的超导体中一旦激发电流，长久存在、永不衰减发电流，长久存在、永不衰减0R,constU 0E等势体：等势体：体内场强：体内场强：六、材料的其它电性质六、材料的其它电性质（一）超导性（一）超导性1、概述、概述基本概念：基本概念：正常态、超导态、超导性正常态、超导态、超导性超导理论超导理论库伯电子对理论库伯电子对理论氧化物高温超导材料氧化物高温超导材料超导材料研发过程：超导材料研发过程： 金属、合金金属、合

2、金材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件b、完全抗磁性、完全抗磁性 体内磁感应强度为零体内磁感应强度为零BB正常态正常态超导态超导态0B内内迈斯纳效应迈斯纳效应Meissner effect处于超导态的超处于超导态的超导体是抗磁体、导体是抗磁体、具有屏蔽磁场、具有屏蔽磁场、排除磁通的功能。排除磁通的功能。CTT CTT （2）超导材料的三个性能指标）超导材料的三个性能指标a、超导体的临界转变温度、超导体的临界转变温度CT越接近室温越好，金属氧化物高温超导体：越接近室温越好，金属氧化物高温超导体：KTC140材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件b、临界磁感应强度、临界磁感应强度CBKT

3、 /123 4567)/(2mWbBC02. 006. 010. 00HgPb施加外磁场施加外磁场CBB0:超导性破坏、超导体从超导态回到正常态超导性破坏、超导体从超导态回到正常态临界磁感应强度临界磁感应强度:CB随温度变化、近随温度变化、近似为抛物线关系似为抛物线关系)/1 ()(220CCCTTBTB:0CB温度为绝对零度时温度为绝对零度时的临界磁感应强度的临界磁感应强度超导体的临界转变温度超导体的临界转变温度 是不加磁场时的值是不加磁场时的值CT处于超导态的超导体处于超导态的超导体)(CTT 材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件c、临界电流密度、临界电流密度除外磁场影响超导态的转变

4、外、超导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、其磁超导体中的电流在空间激发磁场、其磁场达到场达到 时，超导态被自身磁场破坏时，超导态被自身磁场破坏CB原因：原因：临界电流密度：临界电流密度：超导态被破坏时的电流密度超导态被破坏时的电流密度随温度的变化关系：随温度的变化关系：)/1 ()(220CCCTTJTJ温度为绝对零度时的临界电流密度温度为绝对零度时的临界电流密度:0CJ与临界磁感应强度完全类似与临界磁感应强度完全类似)(TBC)(TJC ：受外磁场的影响；：受外磁场的影响； ：受体内电流的影响：受体内电流

5、的影响相互影响相互影响CJB ,CBJ,材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件3、超导体的应用、超导体的应用研究的目的：应用研究的目的：应用不仅能制造块状超导材料、利用物理不仅能制造块状超导材料、利用物理或化学沉积已能制造或化学沉积已能制造薄膜超导材料薄膜超导材料对超导器件的对超导器件的制造非常重要制造非常重要TiNbSnNb3系系金属化合物金属化合物液氮液氮TTC中等工业规模开发、中等工业规模开发、具有应用前景具有应用前景超导体的应用：超导体的应用： 核磁共振（核磁共振（NMR）成像系统，）成像系统， 磁悬浮列车，粒磁悬浮列车，粒子加速器，核聚变，磁流体，电能储存系统等子加速器，核聚变，

6、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、红外成像等极低），计算机、红外成像等铌铌材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件（二）铁电性（二）铁电性（ferroelectricity）某些（离子）晶体具有某些（离子）晶体具有自发极化自发极化的性质的性质自发极化：自发极化：并无外电场作用、但体内有较强的电极化强度。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：铁电体：如同铁磁体、铁电如同铁磁体、铁电体并不一定含有铁体并不一

7、定含有铁铁电体的铁电体的 关系与关系与铁磁体的铁磁体的 类似类似 EP HM 存在类似于磁滞存在类似于磁滞现象的现象的电滞现象电滞现象EPoabcdefgcEcEsPrP电滞回线电滞回线材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件铁晶体铁电性的起源：铁晶体铁电性的起源： 如同铁磁性的起源：铁电体中存在如同铁磁性的起源：铁电体中存在电畴电畴电畴：电畴：含有永久电偶极矩的小区，小区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中个晶胞的电偶极矩方向相同电畴具有强电畴具有强电偶极矩电偶极矩实际铁电体的各电畴的电偶极矩方向一般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

8、性不同；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有许多晶粒组成的铁电陶瓷更是如此铁电体的极化：铁电体的极化：适当的高温适当的高温下、强直流电场的作用，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，使各电畴的电矩沿外电场的方向取向，维持外场下维持外场下缓慢冷却材料到室温缓慢冷却材料到室温适当的高温：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：维持外场、冷却到室温：冻结已取向的偶极子冻结已取向的偶极子材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件铁电体居里温度：铁电体居里温度： 铁电体在铁电体

9、在某一温度某一温度以上、失去铁电性以上、失去铁电性居里温度：居里温度：临界温度临界温度CT典型的铁电材料：典型的铁电材料：3BaTiOCToC1204Ti2O2Banm398. 0nm403. 0nm398. 0侧视图侧视图立体图立体图CTToC120立方相：立方相：正负离子中心重合，正负离子中心重合，晶胞无电偶极矩、无铁电性晶胞无电偶极矩、无铁电性CTToC120四方相：四方相： 离子和周围离子和周围 离子略向相反方向移动、产离子略向相反方向移动、产生方向向上的永久电偶极矩。生方向向上的永久电偶极矩。4Ti2O材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件（三）压电性（三）压电性1880：Pie

10、re. Curie and Jacques. Curie 首先发现首先发现压电效应：压电效应：对对 石英单晶在一些特定方向上加力、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、负束缚电荷在与力垂直的平面上出现正、负束缚电荷压电体压电体已有超千种、已有超千种、可以是单晶、可以是单晶、陶瓷（多晶）、聚合物、生物体陶瓷（多晶）、聚合物、生物体压电效应分为正、负压电效应：压电效应分为正、负压电效应：受机械力作用的晶体，受机械力作用的晶体，在一定方向在一定方向的表面上产生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：正压电效应：与力

11、平行或垂直与力平行或垂直机械能转换为电能的过程机械能转换为电能的过程材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件晶体在外电场激励下，晶体的晶体在外电场激励下，晶体的某些某些方向上方向上产生形变（谐振）的现象产生形变（谐振）的现象负压电效应：负压电效应：石英单晶正压电效应：石英单晶正压电效应：135246SiOXY未受力时：未受力时：正负电中心重合正负电中心重合受力时：受力时：（1）晶片受沿）晶片受沿 y 方向的压缩力方向的压缩力纵向压电效应纵向压电效应135246)(B)(A1, 4 离子向中心；离子向中心；6, 5, 2, 3 离子向离子向外移动外移动表面表面 A 出现负出现负电荷；表面电荷；

12、表面 B 呈正电荷呈正电荷材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件横向压电效应横向压电效应（2）晶片受沿）晶片受沿 x 方向的压缩力方向的压缩力)(A)(B246351CD135246SiOXY未受力未受力6, 5, 2, 3 离子向内移动同样离子向内移动同样数值；数值；1, 4 离子离子 向外移动向外移动C 和和 D 面不出现电荷；面不出现电荷；表面表面 A 和和 B 呈现电荷呈现电荷材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件（3）晶片受沿）晶片受沿z方向的压缩或拉伸力方向的压缩或拉伸力正、负电荷中心始终重正、负电荷中心始终重合，不出现束缚电荷合，不出现束缚电荷135246SiOXY未受力

13、未受力正压电效应本质：正压电效应本质：外力改变了晶体中的原子或离子原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：压电晶体：结构上结构上必须是无对称中心；必须是无对称中心；组成上组成上必必须是离子、或离子性原子、或须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子含离子基团的分子分子晶体分子晶体无压电效应无压

14、电效应材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件第二节第二节 材料的磁性质材料的磁性质磁性与物质的微结构密切相关，不仅取决于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、磁学基本量的回顾一、磁学基本量的回顾平面载流线圈（圆电流）的磁矩：平面载流线圈（圆电流）的磁矩：SIm:I:S电流，电流，线圈所围的面积线圈所围的面积ISmS,m的方向与电流方向构成右手螺旋的方向与电流方向构成右手螺旋非平面载流线圈的磁矩：非平面载流线圈的磁矩：SIdmdm线圈的磁矩线圈的磁矩材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件载流线圈所受的磁力矩载流线

15、圈所受的磁力矩载流线圈在磁场中将受磁场的作用载流线圈在磁场中将受磁场的作用磁场中的磁场中的小平面小平面载流线圈或载流线圈或匀强磁场匀强磁场中的平面载流线圈：中的平面载流线圈：合磁场力：合磁场力：F0合合磁力矩：磁力矩：BmTmBmB与与 方向一致时磁能最低方向一致时磁能最低磁感应强度与磁场强度的关系磁感应强度与磁场强度的关系真空中：真空中：HB0磁介中：磁介中：HHBr0:0:r真空磁导率真空磁导率磁介质相对磁导率磁介质相对磁导率材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件磁化与磁化强度磁化与磁化强度磁化：磁化： 物质在磁场中或强或弱要显示磁性物质在磁场中或强或弱要显示磁性磁化强度：磁化强度：

16、描述物质磁化强弱的物理量描述物质磁化强弱的物理量定义：定义：单位体积内分子磁矩的矢量和单位体积内分子磁矩的矢量和VmM分子分子磁介质中磁介质中 的关系的关系MHB,HHHMHBrm00000与与 的宏观或实验关系的宏观或实验关系MHHMm1rm材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件二、物质磁性的分类二、物质磁性的分类HM五类磁介质的磁化曲线五类磁介质的磁化曲线抗磁抗磁反铁磁反铁磁顺磁顺磁亚铁磁亚铁磁铁磁铁磁据磁化率或相对磁导率，据磁化率或相对磁导率，物质的磁性可分为：物质的磁性可分为：1、抗磁体、抗磁体610:m在外磁场中显示与外场方在外磁场中显示与外场方向向相反相反的、微弱的磁性的、微弱

17、的磁性金属中约一半是抗磁：金属中约一半是抗磁：ZnHgAuAgCu,等等2、顺磁体、顺磁体631010:m在外磁场中显示与外场方在外磁场中显示与外场方向向相同相同的、微弱的磁性。的、微弱的磁性。Pt, Pd (钯钯)，奥氏体不锈钢，稀土金属：，奥氏体不锈钢，稀土金属：Li, Na, K, Rb (铷铷)材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件3、铁磁体、铁磁体HM五类磁介质的磁化曲线五类磁介质的磁化曲线抗磁抗磁反铁磁反铁磁顺磁顺磁亚铁磁亚铁磁铁磁铁磁:m很大、与外磁场成很大、与外磁场成非线性关系变化非线性关系变化较弱的磁场能产生很大的磁较弱的磁场能产生很大的磁化强度。金属：化强度。金属：Fe

18、, Co, Ni 等等铁磁体在温度高于某一临界温铁磁体在温度高于某一临界温度（居里温度）变成顺磁体度（居里温度）变成顺磁体4、亚铁磁体、亚铁磁体:m比铁磁体稍小、具有与铁磁体类似的磁性比铁磁体稍小、具有与铁磁体类似的磁性如：磁铁矿（如：磁铁矿（Fe3O4）、铁氧体等）、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亚铁磁体电阻率较大、适于制作电阻率大的磁性元件材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件5、反铁磁体、反铁磁体HM五类磁介质的磁化曲线五类磁介质的磁化曲线抗磁抗磁反铁磁反铁磁顺磁顺磁亚铁磁亚铁磁铁磁铁磁:m很小的正数，很小的正数，温度低于温度低于某温度时，磁化率同磁场某温度时

19、，磁化率同磁场的方向有关的方向有关，高于这一温，高于这一温度时其行为同顺磁体度时其行为同顺磁体如：如： 氧化镍、氧化镍、,CrMn氧化锰等氧化锰等三、原子磁矩、抗磁性和顺磁性的起源三、原子磁矩、抗磁性和顺磁性的起源1、原子磁矩、原子磁矩电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩原子磁矩：原子磁矩：材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件原子核磁矩：电子磁矩的几千分之一、可忽略原子核磁矩：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子的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和电子轨道磁矩电子轨道磁矩电子绕原子核运动犹如一圆电流、具有磁矩电子绕原子核运动犹如一圆电流、具有磁矩LmermmereiSme02002222电子轨道磁矩大小：电子轨道磁矩大小：20rmL轨道角动量轨道角动量:r:0m:轨道半径，轨道半径，电子质量，电子质量，轨道运动角速度轨道运动角速度材料科学与技术讲义材料的电性质与磁性质课件电子自旋磁矩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：电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量满足量子化条件：Blezmmlml , 2, 1,