证明存在常温超导(室温超导)材料

证明存在常温超导（室温超导）材料

作者：冯美良

1什么是超导

超导体（英文名：superconductor），又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10的负25次方Ω，可以认为电阻为零。超导体具有三个临界参数：临界转变温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc。当超导体同时处于三个临界条件内时，才显示出超导性。在本文发表以前所发现的超导材料全部都是低于零度。

2超导的机理

BCS理论

BCS理论是以近自由电子模型为基础，以弱电子－声子相互作用为前提建立的理论。理论的提出者是巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.V.Cooper）、施里弗（J.R.Schrieffer）。

BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。对于库珀对产生的原因，BCS理论做出了如下解释：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，没有电阻，形成超导电流。

BCS理论很好地从微观上解释了第一类超导体存在的原因，理论的提出者巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年诺贝尔物理学奖。但BCS理论无法解释第二类超导体存在的原因，尤其是根据BCS理论得出的麦克米兰极限温度（超导体的临界转变温度不能高于40K），早已被第二类超导体突破。

GL理论

GL理论是在朗道二级相变理论的基础上提出的唯象理论。理论的提出者是京茨堡（Ginzburg）、朗道（Landau）。

GL理论的提出是基于以下考虑：当外界磁场强度接近超导体的临近磁场强度时，超导体的电流不服从线性规律，且超导体的零点振动能不可忽略。

GL理论的最大贡献在于预见了第二类超导体的存在。从GL理论出发，可以引出表面能κ的概念。当超导体的表面能κ大于1/开平方2 时，为第一类超导体；当超导体的表面能κ小于1/开平方2 时，为第二类超导体。

3超导与抗磁性

超导体具有三个基本特性：完全电导性、完全抗磁性、通量量子化。完全导电性不解析，这里着重解析抗磁性，还有后文会谈谈通量量子化的问题。

完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。

超导体电阻为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。从电磁理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场不为零。对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键

4抗磁性的原理

为了研究超导的抗磁性，我们先要了解什么是抗磁性。

抗磁性（diamagnetism）是指一种弱磁性。组成物质的原子中，运动的电子在磁场中受电磁感应而表现出的属性。外加磁场使电子轨道动量矩绕磁场进动，产生与磁场方向相反的附加磁矩，故磁化率k抗为很小的负值（10－5—10－6量级）。因此，所有物质都具有抗磁性。抗磁性的本质是电磁感应定律的反映。外加磁场使电子轨道动量矩发生变化，从而产生了一个附加磁矩，磁矩的方向与外磁场方向相反。在磁场作用下，电子围绕原子核的运动是和没有磁场时的运动一样，但同时叠加了一项轨道平面绕磁场方向的进动，即拉莫尔进动。[2] 大多数物质的抗磁性被其顺磁性所掩盖，只有一小部分物质表现出抗磁性。惰性气体原子表现出的抗磁性可直接测量。一些离子的抗磁性只能从其他测量结果中推算得到。这些物质的k抗的绝对值与原子序数Z成正比，并与外层电子的轨道半径的平方成正比，与温度的变化无关，称为正常抗磁性。少数材料（如Bi，Sb）的k抗比较大（可达10－4—10－3量级），随温度上升变化较快，称为反常抗磁性。早年曾用Bi做测量磁场的传感器材料。金属中自由电子也具有抗磁性，并与温度无关，称朗道抗磁性。但因其绝对值为其顺磁性的1/3，始终被掩盖不易测量。在特殊条件下，金属的抗磁性随磁场的变化有振荡特征，称为德哈斯－范阿尔文效应，是费米面测量的重要方法。超导体中有超导电流时，存在迈斯纳效应时具有很强的抗磁性，其抗磁磁导率为－4π。

这里可以深刻的理解正常抗磁性物质是依赖于原子分子内的电子运动的，不与温度变化相关。

而反常抗磁性的物质的异常抗磁性来自于哪里呢。根据电磁学说。对应的抗磁性必然有其对应的电流。超导的抗磁性来自于其超导电流。当磁铁靠近超导体时，超导体感应出与之相反的电流，因为电阻为零，所以电流一直流动，表现为完全抗磁性。如果是一般导体这电流则会因此电阻而快速转换为热量，失去完全抗磁的特征。

那么我们可以重点分析这些反常抗磁性的材料。看看这些材料异常的根本原因。

5常温反常抗磁性材料的分析

高抗磁材料

材料单位Xv（×10^-5）

超导-10^5

热解石墨-40.9

铋-16.6

水银-2.9

金刚石-2.1

铅-1.8

石墨-1.6

铜-1.0

水-0.91

我们从最小的水开始分析，由于纯水并不导电，其抗磁性来自于其分子原子的内部电流。属于正常抗磁性。

但是从铜到超导之间的材料，都与超导相关。铜系超导，碳系超导，铅系超导，汞系超导和铋系超导。这是巧合还是有内在的关系。

尤其除碳之外具有共性的是，铜铅汞铋的氧化物陶瓷超导。而碳系超导的则与构型有关（可以自行了解魔角相关的资料）这里就很值得人深思了。

6推导铜铅汞铋材高温超导和常温异常抗磁性

那么我们可以假设，按照正常抗磁性物质是由内部原子分子的电子轨道产生的，那么这些异常抗磁性材料的反常抗磁性电流是从哪里来的。

假设是自由电子构成的电流，根据之前超导抗磁性的原理，以上四种材料均是有电阻的。故此金属之间的自由电子构成的抗磁性电流的假设是不合理的。那么可以推测的是，在某些部分在原子之外，金属之内存在抗磁性电流。当思考到这里的时候就不得不考虑到金属的晶格缺陷和杂质。因为到现在为止金属冶炼的过程中，就连最纯的金都无法排除杂质。而其中最重要的一种杂质成分正是氧。氧气充满在我们身边的大气中，在金属氧化还原过程中，根据化学动态平衡，也是不可能完全排除氧的存在。而以上四种材料均有氧化物的超导材料。那么可以大胆推测，在这些材料的金属内部，存在这样的金属氧化物杂质成分构成的晶格缺陷。而异常抗磁性电流，正是在这些晶格中产生。而且是完全抗磁性的。正是这些占极为少数的完全抗磁性缺陷带来异常的抗磁性。那么根据如此的推论，可以猜测缺陷越多抗磁性越

大，而温度越低抗磁性越大，甚至整体超导。而温度上升抗磁性越低，达到一定温度，晶格失超，失去反常抗磁性，只剩正常抗磁性。可以通过实验验证。

可以这样想象，金属的整体除了本身原子的抗磁性外，额外有些微小的小晶格提供了额外的抗磁性。这种抗磁性强度随温度而改变。这也是反常抗磁性会随温度改变的原因。

7通量量子化

那么假设成立的情况下，铜铅汞铋的氧化物晶格缺陷在常温下是超导的。而这些金属系的氧化物为高温超导材料。为何一定要某一个温度以下才能实现超导。这里就涉及了一个叫做超导通量量子化的问题。

通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体（superconductor）—绝缘体（insulator）—超导体（superconductor）结构可以产生超导电流。

约瑟夫森效应分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。直流约瑟夫森效应指电子对可以通过绝缘层形成超导电流。交流约瑟夫森效应指当外加直流电压达到一定程度时，除存在直流超导电流外，还存在交流电流，将超导体放在磁场中，磁场透入绝缘层，超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。

如果那其中一块高温超导体放大，可以发现氧化物晶格之间就像是沙子之间的连接，中间是晶格边界，晶格边界很有可能是绝缘的，也有是导电的，可是却不是超导的，具有电阻的。

那么根据温度下降，超导晶格之间的达到超导条件的晶格部分变大了，而相对绝缘或者具有电阻的晶格边缘却变薄了。直到发生通量量子化才实现整体的超导，把磁力线完全排除出超导部分。

所以在达到超导前，以上金属氧化物的抗磁性，应该是随着温度下降有个缓慢上升的过程，而温度达到超导点时，抗磁性转变成完全抗磁性。相反，随着温度上升，最终抗磁性会回复到正常抗磁性的水平。

8推导热解石墨的异常抗磁性

上面推论了铜铅汞铋氧化物缺陷晶格的常温超导性。现在就要看看非金属的碳系异常抗磁性的来源。根据石墨，金刚石和热解石墨不同的抗磁性，就可以马上互证之前对杂质晶格超导的推论。因为石墨金刚石和热解石墨的元素均为碳。根据正常抗磁性的理论，抗磁性来自于原子轨道电流，抗磁性与元素序号有关。作为相同元素，其抗磁性应该一样。可是事实上他们的抗磁性互不相同。石墨-1.6，金刚石-2.1，热解石墨-40.9。让大家理解这种抗磁性有多异常。热解石墨的抗磁性在常温下即可永久悬浮于磁铁上。

没错，常温下永久磁悬浮。那么根据以上的推论是否热解石墨也有杂质晶格呢。很不幸的说，杂质肯定有，可是其产生超导的原因很可能不是因为杂质。石墨常温下是接触氧气的，可是抗磁性最低。而金刚石的密度相对要大，而且是半导体，抗磁性却高于石墨。说明了，并不是杂质造成的。而极为异常的热解石墨是烃类等有机气体在惰性气体环境下，1800-2000摄氏度下热分解而成的。其纯度极高。那么已经排除了杂质影响的情况下，到底是什么造成了呢。这里就要说一下最近的石墨烯超导魔角的问题。

2018年3月5日，英国《自然》(Nature)杂志以背靠背的形式刊登两篇长文，报道了美国麻省理工学院和哈佛大学等研究人员在“魔角”石墨烯结构中实现莫特绝缘体和超导电性[1][2]。他们将两层石墨烯堆以1°左右的“魔角”差异叠在一起，并通过门电压调控载流子浓度，成功实现了能带半满填充状态下的绝缘体，继而实现1.7 K的超导电性(图1)。该实验完美再现了铜氧化物高温超导中的物理现象——准二维材料体系中载流子浓度调控下的莫特绝缘体，也是第一次在纯碳基二维材料中实现超导电性。

这里可以充分的说明了碳元素的微观构型是会极大的影响其电学特性。很不幸的是，石墨烯是平面二维材料，只验证了平面情况下的构型。而现实中碳材料的微观构型是三维的。像富勒烯，纳米碳管等。单纯依靠观察，这个验证的工程量实在是大的惊人。

那么我们可以看热解石墨的生产过程，是依靠高温分解，碳元素自行沉积生长。那么这个过程就像是抛骰子，随机产生各种可能的构型。这种可能实在是太多，谁知道长出什么奇奇怪怪的构型。

但是根据异常抗磁性的特征可以看出，热解石墨里面有某些构型是常温超导的。这些常温超导的微观构型实现了常温磁悬浮。

按照之前的推论，那么热解石墨的抗磁性应该随温度下降而变强，因为某些微观构型从非超导变成超导，原来超导构型的部分变大，从而增强了热解石墨的抗磁性。而温度上升则导致失超。可是可以肯定的推论，热解石墨无论降低到什么温度都不会整体超导。这和上面的金属氧化物超导完全不同。这是因为石墨超导部分是构型形成的，而不是晶体构成的。金属氧化物因为是化学键的原因，往往是相同近似的晶体结构，只要突破边缘的绝缘就可以实现整体超导。而是热解石墨构型则是相当混乱的，绝大部分都不会产生超导构型。从魔角1°的严格要求就可以看出。热解石墨超导构型之间的距离相当大，无法通过温度下降达到实现超导通量量子化条件。可以想象成为包裹了厚厚塑料的金属球，无法导电一样。而且还有个更严重的问题。就是石墨是片层结构，层于层之间没有化学键，是范德华力。极为容易滑动。只要滑动一下，超导构型就失效了。所以这也是热解石墨磁悬浮早就被发现了，却一直无法发现常温超导的原因。因为只要物理加工，这个结构就很容易被破坏，那些磨碎热解石墨而想探究其中奥妙的，最终只有失败一途。

我们可以推测，把一块热解石墨一分为二，热解石墨依旧悬浮，但是由于构型分布不同，总有浮得高和浮的低的部分，把浮得低的部分一直切除，那么剩余的就是抗磁性强的部分。故此热解石墨不应该只是-40的抗磁性。那么如果把那些不抗磁的部分全部切除，那么只剩超导部分了。问题是切除的过程无法避免对脆弱的石墨层造成破坏。所以切到一定程度后，全部都失超。可以验证实验，把一块热解石墨磨碎后，热解石墨磁悬浮的颗粒会极少。磨碎到一定程度，完全不能磁悬浮。

根据热解石墨的性质，也可以推论普通石墨的性质，普通石墨多数是正常的层状结构，但是这种结构是不完美的，必然有其他构型的存在，其中的超导构型则要比热解石墨的要少。所以同为石墨，其抗磁性只有-1.6。但是其抗磁性跟随温度变化而变化的规律是应该跟热解石墨一致的。以下是普通石墨抗磁性随温度而改变的数据。

那么我们可以看到数据，温度越低抗磁性越强，这是石墨里面的各种构型的超导温度不同导致的。可以理解为常温下某种构型超导，液氮温度下，又有几种构型达到超导。因为超导后的构型不会因为温度继续变低，而电阻更低，因为电阻为零了。而原子里的电子轨道也不会因为温度低了就出现异常抗磁性。所以只有超导的部分增加了，才导致抗磁性增加了。

天然石墨和高纯石墨之间的差别是杂质的多少，空气中的氮，自然界中的硼等可以出现替换其中碳原子，把平面扭曲，使得构型的结构种类比高纯石墨的构型数量要多。产生超导构型

的数量要比高纯石墨的要多。

那么我们也可以看到颗粒结构越细，其抗磁性越弱。这里的根本原因是颗粒加工的过程，会破坏其超导构型。这种破坏可能是物理加工的破坏和化学的破坏，例如水汽，氧气等插入层状石墨之间造成的。热解石墨制造过程是脱氧惰性的，这个避免了氧化石墨的过程。

由此可以做出各种的实验推测，予以检验论证。找到常温超导的构型实现工业化生产。9热解石墨常温超导制备的可行性探讨

根据以上的研究推测，实现超导的关键是石墨的微观构型。由于缺乏原子级别的组装技术，只能考虑低效率的概率性生产。热解石墨的生产过程是沉积热解的有机气体，那么由于无法把沉积的热解石墨进行物理加工，所以不能进行沉积，需要在惰性气体里直接生成石墨微粒。生成的微粒如此之脆弱，只能通过气流进行搬运。气流搬运至急冻室，使得石墨微粒从1800到2000之间的气体降温到室温以下。此时通过强磁场进行微粒筛选。凡是抗磁性低的，作为热解石墨纳米材料，用于涂层，核燃料等用途。而抗磁性中等的微粒，则作为磁悬浮材料进行加工。可以包覆外层保护层，然后加工成悬浮材料，用于各种磁悬浮工艺品。而强抗磁性微粒，则可以作为磁屏蔽材料，电子工业，完全抗磁性微粒，则可以加工成常温超导体。

而加工如此脆弱的石墨构型，必须考虑边缘固定的问题，尤其是空气氧化，水汽入侵等。需要寻找到可以固化石墨构型的方法和材料。要求其材料不能超过超导通量量子化的要求，不然无法实现常温超导。

结言：常温超导体其实一直都存在，只是都是微观结构难以发现。通过反常抗磁性可以推论出常温超导的存在。

磁学现象与物质的磁性

磁学现象与物质的磁性 人们很早就发现磁性材料具有特殊的功能特性。公元前3世纪，《吕氏春秋·精通篇》中就出现“石，铁之母也。以有磁石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也”的记载，叙述了磁性材料可以吸引特定的物质，如铁等。在战国末期韩非所著的《有度篇》中已出现“故先王以立司南以端前夕”的记载；而在东汉王充的《论衡·是应篇》中出现了“司南之勺，投之于地，其柢指南”的记载，叙述了磁性材料具有南北极，可以指示南北方向的特性。北宋沈括所著的《梦溪笔谈》中已有制作指南针的详尽描述，明朝《萍洲可谈》中出现船舶在苏门答腊海中航行时应用指南针的详细记载，叙述了磁性材料的应用。在欧洲，人们在小亚细亚的Magnesia 地区发现了磁铁矿，因而人们把磁石叫做Magnet 。 人们虽然很早就发现了磁性的存在，但对磁性现象本质的认识却经历了相当长的时间。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第发现了电磁感应定律以及楞次发现的楞次定律，人们才逐渐揭开了磁性的奥秘。随着原子结构的被揭露，尤其是量子力学的成就，人们对目前磁性的物理本质才有了一个大体满意的解释。 一、磁及磁现象的根源是电荷的运动 1.1 一些基本的磁现象 当电流通过一条导线，生成一个方向由右手定则指示的磁场。如果大拇指指示正向电流I 的方向，四指就指示磁场B 的方向。 如果一条载流的长导线被卷成圆筒形，环绕圆筒线圈可观察到一个磁场；磁场的形状具有环环相叠的圆柱对称性，它的方向由右手定则规定。此时，四指指示电流方向，拇指给出线圈内部的磁场方向。外部的磁场具有圆环对称性。而地球磁场源自地球熔融铁核的流动。这种流动才使图中罗盘针的黑端指示出地理北极的方向。 假定一根棒状磁体按图1-3从一个线圈内部向外移开，在线圈绕组的两端可检测到一个电压脉冲。电压源自线圈内磁力线的变化。感生电压遵从Lenz 定律—如果线圈内的磁力线发生变化，由此在线圈内感生的电压是这样的．由它产生的电流决定的磁场与初始的变化方向相反。图1-3标出了电压，由它的电流生成的磁场由线圈指向外(其方向同棒状磁体运动产生的变化相反)。电压的方向也由右手定则规定。磁力线的变化感生电压，决定了发电机和变压器的运转，以及抗磁性的材料行为。图1-1一条载流导线的磁场 图1-2圆筒线圈的磁场

(完整版)初三磁学课件汇总

亲爱的同学，太阳每天都是新的，你是否每天 都在努力。 磁学 一、磁现象 1.磁性：磁铁能吸引铁、钴、镍等物质，磁铁的这种性质叫做磁性。 2.磁体：具有磁性的物质叫做磁体。 分类：软磁体：软铁人造磁体：条形磁体、蹄型磁体、小磁体、环形磁体 硬磁体（永磁体）：钢天然磁体 3.磁极：磁体上磁性最强的部分（任一个磁体都有两个磁极且是不可分割的） （1）两个磁极：南极（S）指南的磁极叫南极，北极（N）指北的磁极叫北极。 （2）磁极间的相互作用规律：同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。 4.磁化 （1）概念：使原来没有磁性的物体获得磁性的过程。 （2）方法：用一个磁体在磁性物体上沿同一方向摩擦，就可使这个物体变成磁体。 5.应用：记忆材料：磁盘、硬盘、磁带、银行卡等 发电机（电动机）：磁悬浮列车、磁化水机、冰箱门磁性封条等 二、磁场 1.磁场 （1）概念：在磁体周围存在的一种物质，能使磁针偏转，这种物质看不见，摸不到，我们把它叫做磁场。 （2）基本性质：磁场对放入磁场中的磁体产生磁力的作用。 （3）磁场的方向： 规定——在磁场中的任意一点，小磁针静止时，N即所指的方向就是那点的磁场方向。 注意——在磁场中的任意一个位置的磁场方向只有一个。 2.磁感线 （1）概念：为了形象地描述磁场，在物理学中，用一些有方向的曲线把磁场的分布情况描述下来，这些曲线就是磁感线。 （2）方向：为了让磁感线能反映磁场的方向，我们把磁感线上都标有方向，并且磁感线的方向就是磁场方向。 （3）特点：①磁体外部的磁感线从N极出发回到S极。（北出南入） ②磁感线是有方向的，磁感线上任何一点的切线方向与该点的磁场方向一致。 ③磁感线的分布疏密可以反映磁场磁性的强弱，越密越强，反之越弱。 ④磁感线是空间立体分布，是一些闭合曲线，在空间不能断裂，任意两条磁感线不能相交。 （4）画法： 3.地磁场 （1）概念：地球周围存在着磁场叫做地磁场。 （2）磁场的N极在地理的南极附近，磁场的S极在地理的北极附近。 （3）应用：鸽子、绿海龟（利用的磁场导航） （4）磁偏角：首先由我国宋代的沈括发现的。 三、电生磁 1.电流的磁效应 （1）1820年，丹麦的科学家奥斯特第一个发现电与磁之间的联系。 （2）由甲、乙可知：通电导体周围存在磁场。 （3）由甲、丙可知：通电导体的磁场方向跟电流方向有关。 2.通电螺线管 （1）磁场跟条形的磁场是相似的。 （2）通电螺线管的磁极方向跟电流方向有关。

磁学基础与磁性材料+严密第一章、三章以及第七章答案

磁性材料的分类

第一章磁学基础知识 答案： 1、磁矩 2、磁化强度

3、磁场强度H 4、磁感应强度 B 磁感应感度，用B表示，又称为磁通密度，用来描述空间中的磁场的物理量。其定义公式为 5、磁化曲线 6、磁滞回线 （） （6 磁滞回线 (hysteresis loop)：在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期性变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。） 7、磁化率

磁化率，表征磁介质属性的物理量。常用符号x表示，等于磁化强度M与磁场 强度H之比。对于各向同性磁介质，x是标量；对于各向异性磁介质，磁化率是 一个二阶张量。 8、磁导率 磁导率（permeability）：又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的 一个物理量，可通过测取同一点的B、H值确定。 二 矫顽力----内禀矫顽力和磁感矫顽力的区别与联系 矫顽力分为磁感矫顽力（Hcb）和内禀矫顽力（Hcj）。磁体在反向充磁时，使磁感应强度B降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力。但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。（对外磁感应强度表现为零）此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。使磁体的磁化强度M降为零所需施加的反向磁场强度，我们称之为内禀矫顽力。内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量，是表示材料中的磁化强度M退到零的矫顽力。在磁体使用中，磁体矫顽力越高，温度稳定性越好。 (2)退磁场是怎样产生的？能克服吗？对于实测的材料磁化特性曲线如何进行退磁校正？ 产生： 能否克服：因为退磁场只与材料的尺寸有关，短而粗的样品，退磁场就很大，因此可以将样品做成长而细的形状，退磁场就将会减小。

导体、绝缘体、半导体和超导体

一、选择题 1．下列用品中，通常情况下属于绝缘体的是 A．金属勺B．瓷碗C．铅笔芯D．铁钉 2．当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫做超导体。电流通过超导体时不发热，因此超导体的应用十分广泛。假如有室温环境中的超导体，可用它来制作 A．家用保险丝B．白炽灯灯丝C．电热丝D．输电导线 3．下列物品中使用了半导体材料的是 A．机器人B白炽灯C．滑动变阻器D，机械手表 4．将下面一个物体与小灯泡串联在电源上，闭合开关后，能使小灯泡发光的是 A．橡皮B．铅笔芯C．塑料尺D．透明胶带 5．材料科学的发展正在影响着我们的生活，下列关于材料应用的说法中正确的是 A．保险丝是利用半导体材料制成的B．利用超导材料做电热丝，电热丝会更热 C．利用钨做灯丝，是因为钨的熔点低D．试电笔外壳是用塑料制成的，因为它是绝缘材料 5.小明家装修房屋需要购买导线，关于导线种类的选择，最恰当的是： A．强度大的铁丝B．细小价格较便宜的铝丝 C．粗一点的铜丝D．性能稳定的镍铬合金丝 6．太阳能电池的光伏板是由非晶态硅制成的，它能把太阳能直接转化为电能，其主要材料是A．磁性材料B．纳米材料C．半导体D．超导体 二、填空题 7．有一种材料，它的导电性介于导体和绝缘体之间，这种材料称为_______材料，电脑的微处理器就是由成千上万个这种材料制成的元件组成；某些材料在特定温度下，电阻接近于零，这种材料物理学上称之为_______材料，此处的特定温度通常_______（选填“很高”、“接近常温”或“很低”）． 8．如图（甲）所示，把玻璃珠接入电路中，闭合开关，发现小灯泡不发光。说明：； 现给玻璃珠加热，如图乙所示，当玻璃珠加热到红炽状态时，发现小灯泡发光，说明：。 9．硅、锗等半导体材料的导电能力比铜、铁等金属的导电能力____(选填“强”或“弱”)。某些物质在温度很低时，电阻变为____，这就是超导现象。如果能制造出常温下的超导体，它可以在下列哪些情境得到应用 ____(选填序号)。 ①用作电吹风的电热丝②用作白炽灯的灯丝③用作输电线缆 10.如图所示的是插入式电阻箱的结构示意图。它的最大电阻值是________Ω，图中A、B两个接线柱之间的电阻值是________Ω。

磁学与磁性材料导论

3.15 磁学基础 C.A.Ross, 材料科学与工程学系, 麻省理工学院 参考数据： Jiles ，磁学与磁性材料导论 磁性数值与单位 H=磁场强度，A/m – 表示能量梯度或偶极的力矩 B=磁通量密度，T 或 Wb/m 2 – 每单位面积通过的磁力线数 M=磁化强度， A/m – 磁矩，材料对场的反应 磁场强度由电流产生： 电流 i 在半径r 产生切线场 H = i/2 πr 或由磁性材料而来。 B = μo H μo = 4π*10-7 Henry/m 在自由空间中磁通量密度由磁场强度决定 B = μo (H + M) 但在材料中 或 B = μo μr H μr =相对磁导率 或 M = H(μr - 1) 或 M = χH χ = (μr - 1) =磁化率 磁化强度与磁通量密度表示材料对于磁场场度H 的反应。磁通量密度的场线是连续的。 注，相同的表示式以cgs 单位表示： B (Oersted) = H (Gauss) + 4πM (emu/cc) 在此 1 Oe = (1000/4π) A/m = 79.6 A/m 1 G = 10-4 T 1 emu/cc = 1 kA/m 不同种类的材料 反磁：原子没有净磁矩，但磁场会产生与外加场相反的小磁矩，磁化率为负的(μr <1)。

顺磁：原子有净磁矩但自旋方向是任意排列。外加磁场会使其有弱的排列方向，因此小的磁化率随温度的倒数而变(μ r >1)。 铁磁有自发的磁化强度，及大的磁导率，其与样品的经历有关，具有非线性的磁滞现象。 磁性行为的源由 电荷的移动使得电子的角动量产生磁化。 磁化由1)电子自旋，2)电子轨道运动而来。 成对电子的贡献会互相抵销，所以强磁效应发生在材料具有未成对的电子。 一个电子具有1 μ B (波耳磁子) = 9.27*10 -24 Am 2 的动量 Stern-Gerlach与Zeeman的实验指出了原子有磁化的量子现象。 我们预期在过渡金属(未填满3d轨域)及稀土元素(未填满4f轨域)有大的磁性现象，因为它们有大的净自旋。 例如：Fe 3+ 有 3d 5 ：预期每个原子有5μ B (忽略轨道的贡献) Fe 有 3d 8 ：预期每个原子有2μ B 铁磁物质之邻近原子因为交换耦合，会有自旋的自发排序。假若自旋有一角度θ，交换能= A (1 – cosθ) 在此A式交换常数，如对铁而言是1.4*10-20 J 负A表示反向平行排列：材料是反铁磁性或陶铁磁性。 在居礼温度之上，自旋是随机排列，所以kT ~ A(对铁而言是770°C) 排列整齐的自旋形成扇区，每个扇区通常都指向不同的方向，就样品而言平均起来就没有净磁矩。但是，扇区可由相对较小的磁场磁化而排列在同一方向(注：此时磁壁就不存在了)，以产生较大的净磁矩，所以其磁导率非常高。M-H曲线的形状是迟滞的，重要的磁滞回线参数包含： 曲线内的面积(外加磁场作一个循环的能量消耗) 饱和磁化(在大磁场中的磁化) 残磁(磁场为零时仍存在磁化强度) 顽磁(要将磁化强度去除所需的磁场强度) 异向性与扇区

磁性材料与技术在现代能源中的应用

磁性材料与技术在现代能源中的应用 1 引言 能源是人类社会发展的物展基础，没有能源人类是无法生存的。所谓能源，就是人类取得能量的来源，它分为1次能源——经开采或收集后未经任何改变或转换的能源，如原煤、原油、河流的水等；2次能源——经过加工转换后获得的1次能源，如油料、电力、沼气、核能等；终端能源——1次、2次能源经过输送、储存和分配，供给用户使用的能源，如用于炊事、照明、运输的热能和电能等。 现在，能源危机是1个世界性的问题。由于目前人类的90％以上工业性能源是来自煤、石油、天然气等天然资源，它们是用之有竭的。所以节约能源、开发新能源就显得十分重要，磁性技术在其中担当着重要的角色，也是确保人类可持续发展的有效措施之一。 2 磁性技术在节约能源方面的应用 2.1 节能的永磁材料 降低现有磁性材料的损耗，研发更低损耗的新材料，便可以在使用磁性材料的各种电机和电器中节约能源。例如，用永磁体代替电流在空间形成1个静磁场（如永磁电机中的定子磁场或转子磁场，扬声器和仪器仪表中的气隙磁场等），这样，不但节省了电能，降低了温度，而且省去1部分电源及控制系统、冷却系统。利用没有励磁线圈的铁芯，不发热的稀土永磁电机来代替常用电动机，可缩小体积，减轻重量，提高效率。如在汽车中用永磁电机替代传统的电机，可使体积和重量减小40％～70％，效率提高50％以上，并可节省铜材和电力。将电气设备中大量使用的电磁开关、电磁阀的电磁铁换成永磁体，可节电90％以上。 在人类活动中，大量的能源消耗在克服摩擦力的做功上。利用永磁体之间的排斥力和吸引力，做成各种磁悬浮系统，如果再将系统中的空气抽出，则摩擦力几乎按近于零。例如，利用磁悬浮原理制成新型磁轴承，其能源可降低90％以上，转速可达每分钟几十万转。又如，应用磁耦合的齿轮传动机构，可以做到不啮而合，隔而不断，从而大量节约能源。再如，有1种在100大气压高压室内工作的机构，仅用以克服从动轴与高压室壁间所设置的轴封摩擦即要消耗25kW的功率，如应用磁耦合减速器，用1kW电动机便可操纵高压室内的机构工作。同时，磁性轴承和磁性传动器均无需直接接触，不必润滑，没有污染。 用永磁体在空间建立1个磁场，除了在制作该永磁体时消耗一定能源外，长期使用过程中不再另外消耗能源，显然，利用永磁体能够取得节约资源、节省能源的显著效果。 2.2 奇特的非晶态磁性合金 非晶态磁性合金就是磁性玻璃。这种非晶态合金材料是将熔融的金属用每秒近100万℃的超急冷方法直接喷在高速旋转的风轮上，使熔化的液态合金立即凝固成薄带，来不及结晶而形成非晶态。

电磁学基础知识

电磁学基础知识 电场 一、场强E （矢量，与q 无关） 1．定义：E ＝ 单位：N/C 或V/m 方向：与＋q 所受电场力方向 电场线表示E 的大小和方向 2．点电荷电场：E ＝ 静电力恒量 k ＝ Nm 2/C 2 匀强电场：E ＝ d 为两点在电场线方向上的距离 3．E 的叠加——平行四边形定则 4．电场力（与q 有关） F ＝ 库仑定律：F ＝ （适用条件：真空、点电荷） 5．电荷守恒定律（注意：两个相同带电小球接触后，q 相等） 二、电势φ（标量，与q 无关） 1．定义：φA ＝ ＝ ＝ 单位：V 说明：φ＝单位正电荷由某点移到φ＝0处的W ⑴沿电场线，电势降低 ⑵等势面⊥电场线；等势面的疏密反映E 的强弱 2．电势叠加——代数和 3．电势差：U AB ＝ ＝ 4．电场力做功：W AB ＝ 与路径无关 5．电势能的变化：Δε＝W 电场力做正功，电势能 ；电场力做负功，电势能 需要解决的问题： ①如何判电势的高低以及正负（由电场线判断） ②如何判电场力做功的正负（由F 、v 方向判） ③如何判电势能的变化（由W 的正负判） 三、电场中的导体 1．静电平衡：远端同号，近端异号 2．静电平衡特点 ⑴E 内＝0；⑵E 表面 ⊥表面；⑶等势体（内部及表面电势相等）；⑷净电荷分布在外表面 四、电容器 1．定义：C ＝ （C 与Q 、U 无关） 单位：1 F ＝106 μF ＝1012 pF 2．平行板电容器： C ＝ 3．两类问题：①充电后与电源断开， 不变；②始终与电源相连， 不变 五、带电粒子在电场中的运动 1．加速：qU ＝ 2．偏转：v ⊥E 时，做类平抛运动 位移：L ＝ ； y ＝ ＝ ＝ 速度：v y ＝ ＝ ； v ＝ ； tan θ＝ 六、实验：描绘等势线 1．器材： 2．纸顺序：从上向下

导体绝缘体半导体和超导体

一、选择题 （11·泉州）6．下列物体中属于导体的是 A．玻璃杯B．竹筷C．瓷碗D．不锈钢杯 答案：D （11·北京）3．下列用品中，通常情况下属于绝缘体的是 A．金属勺B．瓷碗C．铅笔芯D．铁钉 答案：B （11·莆田）8．当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫做超导体。电流通过超导体时不发热，因此超导体的应用十分广泛。假如有室温环境中的超导体，可用它来制作 A．家用保险丝B．白炽灯灯丝 C．电热丝D．输电导线 答案：D （11·漳州）9．下列物品中使用了半导体材料的是 A．机器人B白炽灯C．滑动变阻器D，机械手表 答案：A （11·柳州）2．下列物体中，通常情况下属于绝缘体的是 A．金属B．人体C．铅笔芯D．橡胶 答案：D （11·昆明）7．下列材料中符合大功率、远距离输送电能要求并最具有应用前景的是A．铝质材料B．超导体材料C．纳米材料D．半导体材料 答案：B （11·新疆）4．将下面一个物体与小灯泡串联在电源上，闭合开关后，能使小灯泡发光的是 A．橡皮B．铅笔芯C．塑料尺D．透明胶带 答案：B (11·潜江、天门、仙桃等)34．下列物体中，不可能应用超导材料的是 A．输电导线B．发电机线圈C．电炉丝D．磁悬浮列车 答案：C （11·杭锦旗）6．今年四月，美国《科学》杂志发表“新超导体将中国物理学家推到最前沿”的评述。这表明，在新超导体研究领域，我国取得了令人瞩目的成就。假如人们已研制出常温下的超导体，则可以用它制作

A．家用保险丝B．白炽灯泡的灯丝 C．电炉的电阻丝D．远距离输电导线 答案：D （11·沈阳）4．材料科学的发展正在影响着我们的生活，下列关于材料应用的说法中正确的是 A．保险丝是利用半导体材料制成的 B．利用超导材料做电热丝，电热丝会更热 C．利用钨做灯丝，是因为钨的熔点低 D．试电笔外壳是用塑料制成的，因为它是绝缘材料 答案：D （11·清远）2．太阳能电池的光伏板是由非晶态硅制成的，它能把太阳能直接转化为电能，其主要材料是 A．磁性材料B．纳米材料C．半导体D．超导体 答案：C 二、填空题 （11·湛江）14．在我国，家庭电路的电压是_______V，每个用户之间的电路连接方式是_______联；今年高考，湛江市首次使用金属探测仪防止考生作弊，金属是______（填“导体”或“绝缘体”）． 答案：220 并导体 （11·肇庆）12．有一种材料，它的导电性介于导体和绝缘体之间，这种材料称为_______材料，电脑的微处理器就是由成千上万个这种材料制成的元件组成；某些材料在特定温度下，电阻接近于零，这种材料物理学上称之为_______材料，此处的特定温度通常_______（选填“很高”、“接近常温”或“很低”）． 答案：半导体超导很低 （11·崇左）18．如图（甲）所示，把玻璃珠接入电路中，闭合开关，发现小灯泡不发光。说明：； 现给玻璃珠加热，如图乙所示，当玻璃珠加热到红炽状态时，发现小灯泡发光，说明：。

磁学基础与磁性材料+严密第一章、三章以及第七章答案

磁性材料的分类 ^ 《 }

第一章》 第二章磁学基础知识 答案： 1、磁矩

2、磁化强度 3、· 4、磁场强度 H 5、磁感应强度 B 磁感应感度，用B表示，又称为磁通密度，用来描述空间中的磁场的物理量。其定义公式为 （百度百科）磁感应强度（magnetic flux density），描述磁场强弱和方向的基本物理量。是矢量，常用符号B表示。磁感应强度也被称为磁通量密度或磁通密度。在物理学中磁场的强弱使用磁感强度（也叫磁感应强度）来表示，磁感强度大表示磁感强；磁感强度小，表示磁感弱。 6、磁化曲线 磁化曲线是表示物质中的磁场强度H与所感应的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系 7、磁滞回线

— （） （6 磁滞回线 (hysteresis loop)：在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期性变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。） 8、磁化率 磁化率，表征磁介质属性的物理量。常用符号x表示，等于磁化强度M与磁场强 度H之比。对于各向同性磁介质，x是标量；对于各向异性磁介质，磁化率是一 个二阶张量。 9、磁导率 磁导率（permeability）：又称导磁系数，是衡量物质的导磁性能的 一个物理量，可通过测取同一点的B、H值确定。 二 ' 矫顽力----内禀矫顽力和磁感矫顽力的区别与联系 矫顽力分为磁感矫顽力（Hcb）和内禀矫顽力（Hcj）。磁体在反向充磁时，使磁感应强度B降为零所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力。但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消。（对外磁感应强度表现为零）此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。使磁体的磁化强度M降为零所需施加的反向磁场强度，我们称之为内禀矫顽力。内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量，是表示材料中的磁化强度M退到零的矫顽力。在磁体使用中，磁体矫顽力越高，温度稳定性越好。 (2)退磁场是怎样产生的能克服吗对于实测的材料磁化特性曲线如何进行退磁校正

08.磁学基础知识

引言 ?无论是电子技术、电力技术、通信技术、还是空间技术、计算技术、生物技术，乃至家用电器，磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。 ?从1902年P.塞曼和H.A.洛伦兹获得诺贝尔奖，到1998年华裔的崔琦先生获诺贝尔物理学奖，至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献； ?公元前2500年我国已有磁性指南——司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河； ?以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特，后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。 ?从1900年到1930年，先后确立了金属电子论、顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、X射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、铁磁性体理论、金属电子量子论、电子显微镜等相关的的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后的20~30年间，出现了种类繁多的磁性材料。 ?我国的磁学前辈当数叶企孙（1924年从美国哈佛大学获博士学位回国）、施汝为先生（1931年在国内发表了第一篇磁学研究论文），现我国已有十余所高校、十几个研究所及几百个生产企业从事磁学研究、教学和生产。

磁性材料是电子功能材料中极其重要的一类，已成为现代工业和科学技术的支撑性材料之一； 广泛应用于通信、自动化、电机、仪器仪表、广播电视、计算机、家用电器以及医疗卫生等领域，如各类变压器、电感器、滤波器、磁头和磁盘、各类磁体、换能器以及微波器件等； 这类材料按其导电性差异，可分为金属和铁氧体磁性材料两大类；按其磁性能差异，又可分为软磁、永磁、旋磁、压磁以及磁光材料等类别。

?应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设备；控制器件；其它器件。?作用原理 利用永磁材料在给定 的空间产生一定的磁 场强度； 利用永磁合金的磁滞 特性产生转动矩，使 电能转化为机械能。?特点 充磁后，去掉外磁场 后仍可保留磁性。

磁学和磁性材料的发展历程

磁学与磁性材料发展的历程 磁学与磁性材料发展的历程 公元前 5000年前人类发现天然磁石(Fe3O4) 2300年前中国人将天然磁石磨成勺型放在光滑的平面上，在地磁的作用下，勺柄指南，曰“司南”此即世界上第一个指南仪。 公元后 1000年前中国人用磁铁与铁针摩擦磁化，制成世界最早的指南针。1100年左右中国将磁铁针和方位盘联成一体，成为磁针式指南仪，用于航海。 1405-1432 郑和凭指南仪开始人类历史上航海的伟大创举。 1488-1521 哥伦布，伽马，麦哲伦凭借由中国传来的指南仪进行了闻名全球的航海发现。

十七世纪 1600 英国人威廉.吉伯发表了关于磁的专著“磁体”，重复和发展了前人有关磁的认识和实验。 十八世纪 1785 法国物理学家C.库仑用扭枰建立了描述电荷与磁极间作用力的“库仑定律”。 十九世纪 1820 丹麦物理学家H.C.奥斯特发现电流感生磁力。 1831 英国物理学家M.法拉第发现电磁感应现象。 1873 英国物理学家J.C.麦克斯韦在其专著“论电和磁”中完成了统一的电磁理论。 1898-1899 法国物理学家P.居里发现铁磁性物质在特定温度下（居里温度）变为顺磁性的现象。 二十世纪 1905 法国物理学家P.I.郎之万基于统计力学理论解释了顺磁性随温度的变化。 1907 法国物理学家P.E.外斯提出分子场理论，扩展了郎之万的理论。

1921 奥地利物理学家W.泡利提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位。美国物理学家A.康普顿提出电子也具有自旋相应的磁矩。 1928 英国物理学家P.A.M.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W.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 苏联物理学家郎道完成了巨著“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 法国物理学家L.奈耳提出反铁磁性和亚铁磁性的概念和理论，并在随后多年的研究中深化了对物质磁性的认识。 1967 旅美奥地利物理学家K.J.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 德国物理学家E.F.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。

磁学基础

3.15 磁学基础 C.A. Ross, 麻省理工大学，材料科学与工程系 参考文献：Jiles，Introduction to Magnetism and Magnetic Materials 磁物理量及单位 H＝磁场，A/m －表示能量梯度，或偶极子扭矩 B＝磁通量密度，T或Wb/m2 －单位面积的磁力线数目 M＝磁化量，A/m －磁矩，材料对磁场的响应 H 来自电流： 电流i在半径r处产生切线磁场H = i/2πr，磁场也可从磁性材料中产生。 B依赖于H： 在自由空间：B＝μ0H μ0 ＝4π 10-7 Henry/m 然而在材料内部：B＝μ0 (H+M) 或者：B＝μ0 μr H μr = 相对磁导率 或者：M＝H(μr -1) 或者：M＝χH χ＝(μr -1) ＝磁敏感强度 M和B都表明了材料是如何对磁场H做出响应的。B的磁力线是连续的。 注意以cgs单位表示的相同的表达式： B (Oersted)＝H (Gauss)＋4πM (emu/cc) 这里1Oe ＝ (1000/4π) A/m ＝79.6 A/m 1G = 10-4 T 1 emu/cc = 1 kA/m 不同类型材料 抗磁体：原子没有净磁矩，但是磁场会感应一个与磁场方向相反的小磁矩。磁化率为负值（μr <1）。 顺磁体：原子有净磁矩，但是其自旋方向是任意排列的。外加磁场可以轻微地改善排列，因此得到一个随1/T变化的小磁化率（μr >1）。 铁磁体具有自发磁化，其大的磁化率与样品的历史有关。表现出非线性和回线行为。

磁行为的起源 由于运动电荷的原因，电子的角动量产生磁化现象。 磁化现象来自：1）电子自旋，2）电子轨道运动。 成对电子的贡献互相抵消，因此经常在非成对电子的材料中发现强的磁化效应。 一个电子具有的磁矩为1 μB（波尔磁子）＝ 9.27×10-24 Am2 Stern-Gerlach和Zeeman实验表明了原子中磁化现象的量子化。 我们期望在过渡族金属（3d轨道未被填满）和稀土元素（4f轨道未被填满）中发现大的磁化效应，因为它们可能具有大的净自旋量。 例如：Fe3+离子有3d5轨道：每个原子具有5 μB（忽略轨道的贡献） Fe原子有3d8轨道：每个原子具有2 μB 由于交换耦合作用，铁磁体在相邻原子中发生自旋的自发有序化。如果自旋角为θ，则：交换能＝A(1-cosθ) 这里A为交换常量，例如，Fe的值为1.4×10-20 J 负的A值表示反平行排列：材料是反铁磁的或者亚铁磁的。 在居里温度以上，自旋是无序的，因此有kT~A（Fe的居里温度为770o C）。 自旋的定向排列通常形成具有不同取向的畴，整个样品不会表现出净磁矩。然而，这些畴可通过一个相对小的磁场实现定向排列（也就是说，畴壁可被移动），并引起大的净磁矩，因此其磁敏感强度会很高。M-H曲线为回线形状；重要的回线参数包括： －曲线围成的面积（磁场来回循环时消耗的能量） －饱和磁化强度（大磁场下的磁化强度） －剩余磁化强度（零磁场下的剩余磁化量） －矫顽场强（将磁化量变为零所需要的磁场强度） 各向异性与畴 磁能量包括以下各项： －交换能（所有的自旋平行排列以达到最小化） －静磁能（各畴具有不同取向，对外不显示磁场，从而达到最小化） －塞曼能（由于外加磁场E＝MH而形成的势能） －磁晶能（如果磁化沿一定的晶体学方向取向，例如Co中的c轴，则会降低能量） 形成畴结构可以降低能量。畴的典型尺寸为微米量级或者更大；畴壁宽度约为100 nm。 磁晶各向异性表示将磁化方向从取向轴（容易形成）“拉”回所需的能量。

磁学基础

1.3.4 安培环路定律 安培发现在电流产生的磁场中,矢量H 沿任意闭合曲线的积分等于此闭合曲线所环绕的所有电流的代数和(图1.6),即 Hdl H dl I l l ??∑==cos θ (1.4) 式中H －磁场中某点A 处的磁场强度；dl －磁场中A 点附近沿曲线微距离矢量；θ－H 与dl 之间的夹角。∑I －闭合曲线所包围的电流代数和。电流方向和磁场方向的关系符合右螺旋定则。如果闭合回线方向与电流产生的磁场方向相同，则为正。反之为负。式(1.5)称为安 培环路定律，或称为全电流定律。 图1.6(a)环路包围只有I ,所以∑I =I ,如图1.6(b)环路包围的是正的I 1和负的I 2,尽管图中有I 3存在,但它不包含在环路之内，所以∑I=I 1-I 2。 为说明安培定律的应用，以环形线圈为例(图1.7)。环内的介质是均匀的，线圈匝数为N ，取磁力线方向作为闭合回线方向，沿着以r 为半径的圆周闭合路径，应用式(1.5)，方程的左边可得到 Hdl Hl r H ?==?2π （1.5） 1.3.5 电磁感应定律 由实验可知，如果一个条形磁铁插向线圈中(图1.6)时，接在线圈两端的电流表指针将发生偏转；如果磁铁不动，则电流表指针不转动。如果将磁铁从线圈中取出，电流表指针与插入时相反方向偏转。由此可见，当通过线圈的磁通发生变化时，不论是什么原因引起的变化，在线圈两端就要产生感应电动势。而且磁通变化越快，感应电动势越大，即感应电动势的大小正比于磁通的变化率，对于1匝线圈，即 e t =?φ? 如果是一个N 匝线圈，每匝的磁通变化如果相同，则 e N t N t t ===?φ????ψ?()φ 式中ψ=N φ是各线圈匝链的总磁通，称为磁链。由上式可见，磁通单位韦伯，也就是伏秒。即单匝线圈匝链的磁通在1秒内变化1韦伯时，线圈端电压为1伏。可见，可以利用这个关系定义磁通单位(伏秒—VS )，再由磁通单位定义磁通密度B 的单位。 上式就是法拉第定律。但此定律只说明感应电动势与磁通变化量之间的关系，并没有说明感应电动势的方向。楞次阐明了变化磁通与感应电势产生的感生电流之间在方向上的关系。即在电磁感应过程中，感生电流所产生的磁通总是阻止磁通的变化。即当磁通增加时，感生电流所 (a) (b) 图1.6 安培环路定律 S N 图1.6 电磁感应

第8章 固体的磁性和磁性材料

第8章固体的磁性和磁性材料 §8.1 固体的磁性质及磁学基本概念 8.1.1 固体的磁性质 1. 物质磁性的来源和磁性的普遍性 按照物理学电学原理，任何带电体的运动都必然在周围的空间产生磁场。而且一个环形电流还应该具有一定的磁矩，即它在磁场中行为像个磁性偶极子。 设环形电流的强度为I（A），它所包围的面积为S（m2），则该环流的磁矩m为： m = I A (A m3) （1-1） 参照玻尔（Bohr）原子模型，原子内的电子在固定的轨道上绕着原子核作旋转运动，同时还绕自身的轴线作自旋运动。前一种运动产生“轨道磁矩”，后一种运动产生“自旋磁矩”。 原子磁矩应该是构成原子的所有基本粒子磁矩的叠加。但是实际上原子核磁矩要比电子磁矩小三个数量级，在一般情况下可以忽略不计。因此，原子磁矩主要来源于原子核外电子的自旋磁矩与轨道磁矩。 如果原子中所有起作用的磁矩全部抵消，则原子的固有磁矩为零。但在外磁场作用下仍具有感生磁矩，并产生抗磁性。 如果原子中所有起作用的磁矩没有完全抵消，则原子的固有磁矩不为零，那么原子就具有磁偶极子的性质。 原子内电子的运动便构成了物质的载磁子。尽管宏观物质的磁性是多种多样的，但这些磁性都来源于这种载磁子。这便是物质磁性来源的同一性。 物质磁性的普遍性首先表现在它无处不在： （1）物质的各种形态，无论是固态、液态、气态、等离子态、超高密度态和反物质态都会具有磁性； （2）物质的各个层次，无论是原子、原子核、基本粒子和基础粒子等都会具有磁性。 （3）无限广袤的宇宙，无论是各个天体，还是星际空间都存在着或强或弱的磁场。例如：地球磁场强度约为240A/m，太阳的普遍磁场强度约为80A/m，而中子星的磁场强度高达1013-1014A/m。 物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他属性之间存在着广泛的联系，并构

第十五届全国磁学和磁性材料学术会议格式要求和示例

征文格式要求说明： (1)每篇论文为1页，请严格按要求格式编辑。文责自负。请用A4纸排版，页 面设置为：上边距：30mm，下边距：20mm，左边距：25mm，右边距：25mm， 对齐方式：两端对齐。不编页码。 (2)题目用三号或16磅黑体字加粗居中，题目和作者之间空一行。作者用小四 号或12磅宋体居中，作者和作者之间空一字。作者单位请写全称，不用简 称，用小五号或9磅宋体居中，单位和正文之间空一行。除英文和数字外均 为宋体，英文和数字为Times New Roman。 (3)正文字号为五号或10磅，用1.25行距，正文内容包括引言、实验、结果与 讨论、结论、致谢等，不必列出标题，可分段。文中可插入图表和照片，图 表以及照片的说明，使用字号为小五或9磅。文中的插图要精选，大小适中， 线条均匀，主辅线分明。图题应简洁明确，并具有专指性。表头的量或用来 标记图形轴线的量，用“物理量/单位”形式标记 (4)参考文献用字号为小五或9磅，请注明所有作者，杂志名（可简称），卷， 年，页。 征文示例见附件

附：征文示例 La 0.9Sr 2.1Mn 2O 7单晶的磁性和电输运 马骁 寇志起 何为 唐雁坤 邸乃力 成昭华 李庆安 中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室，北京 100080 近年来，钙钛矿锰氧化物再次引起了物理学界的普遍关注[1]。在这一体系中双层钙钛矿锰氧化 物因为：大的磁电阻、强的各向异性、电荷有序等成为这一领域的一个热点。而单晶双层钙钛矿锰氧化物可以更清楚、准确的研究上述特性，而且单晶材料更多的反映了材料内禀的特性。 我们用浮区法在四镜浮区炉中制备了La 0.9Sr 2.1Mn 2O 7单晶，XRD 测量表明这些晶体具有Sr 3Ti 2O 7 结构。对该亮面进行XRD 测量表明该面为ab 面，Laue 斑点也证明该单晶片具有很好的质量。利用PPMS 对磁性和电性进行测量。 磁性(图1)和电性（图2）的测量表明：磁性和电性都具有明显的各向异性，这与该材料晶体结构的对称性有密切的关系；该晶体在252K 以下进入电荷有序态，在203K ，A 型反铁磁态出现，反铁磁态出现后电荷有序迅速减弱，在低于50K 后，电荷有序态又开始出现，该材料中极化子的能带带宽与温度相关可以导致这一电荷有序重入行为；加场后该材料表现出磁电阻行为，这与外场导致的电荷有序熔化有关；对高温区电阻率进行拟和表明其导电机制为SE-VRH 机理（一种与电子间库仑相互作用有关的导电机制）；这说明在高温区库仑相互作用对电子的输运作用起着重要的作用 图1. 5 kOe 场下磁化强度随温度的变化 图2. 零场电阻率随温度的变化 本文得到国家自然科学基金及国家重点基础研究发展规划项目资助。 参考文献 [1] R. von Helmholt, J. Wecker, B. Holzapfel, L. Schultz and K. Samwer, Phys. Rev. Lett. 71, 2331(1993). M (e m u /g )