CN103440801A

CN103440801A - 一种可演示超导磁悬浮现象以及测试磁悬浮力的实验仪器

Info

Publication number: CN103440801A
Application number: CN2013103442042A
Authority: CN
Inventors: 张强
Original assignee: BEIJING YINGNA SUPERCONDUCTION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING YINGNA SUPERCONDUCTION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明涉一种能演示超导磁悬浮现象的实验仪器，主要用于演示超导磁悬浮现象，主要包括超导环、磁导轨、保温容器、保温材料、隔离片、镊子和砝码组。超导环是用高温超导闭合线圈制成的。演示时超导环在磁导轨上悬浮，并能在较小的外力下水平往复运动，还可以是倒悬浮于磁导轨下进行往复运动。本实验仪器还可采用高温超导环、永磁块组成的磁导轨以及砝码来进行磁悬浮力测试实验，通过在超导环或超导块上放置砝码来定量的测量磁悬浮力。

Description

一种可演示超导磁悬浮现象以及测试磁悬浮力的实验仪器

技术领域

本发明涉及一种教学仪器，尤其涉及一种能演示超导磁悬浮现象的实验仪器。

背景技术

超导现象是指某种材料在低于某一温度(称为超导转变温度Tc)时，电阻变为零的现象。

首个超导体发现在1911年，它被称为低温超导体，只有被冷却到零下269℃(4K)才能显示出超导性。由于达到这样低的温度的成本极其昂贵，因此这类超导体的实际应用是有限的。1986年，高温超导(HTSC)的发现，使得在超导领域中出现了一个关键性的突破。由于冷却条件和成本是及其低廉的，因此HTSC是具有实际应用价值的。超导体具有许多特性，其中最主要的是零电阻现象和完全抗磁性现象(迈斯纳效应)。

超导体零电阻效应：目前，普遍使用的Bi-2223/Ag和YBCO超导线材Tc高于液氮沸点，属于高温超导材料。这种导线在超导态下的电阻率与铜导线在温度为20℃时的电阻率相差1.75万倍。从理论上讲，在保持外界条件不变情况下，超导材料中的电流可以几乎不发生衰减。

超导体的完全抗磁性：当把超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透超导体，而使其体内的磁感应强度始终保持为零，超导体的这个特性又称为迈斯纳(Meissner)效应。

超导体的磁通钉扎效应：在某类超导体中，导体内部晶体缺陷与磁通线(由外磁场激发)之间的相互作用力能阻滞磁通线的自由运动，叫做对磁通线的钉扎力。晶体缺陷叫做钉扎中心。

完全抗磁性和零电阻效应是超导材料的两个主要特征。当超导体处于外磁场中时，由于抗磁性和磁通钉扎效应的作用，在超导体内部将感应出屏蔽电流，又由于零电阻效应所致，屏蔽电流几乎不随时间衰减。在超导体内持续流动的屏蔽电流产生的磁场与外磁场发生相互作用，从而产生超导磁悬浮现象。

现有可使用的SML-II超导磁悬浮力测量实验仪，该装置可验证超导体的完全抗磁性特性，显示超导体排斥磁通的能力，测量排斥力大小与距离的关系，该装置存在两个不足：

1)被测对象容易损坏

由于该装置使用的是超导块材，即YBaCuO块材，在测量中，需要使用肉眼观察超导块材和磁块之间的距离，因此容易发生超导块材和磁块之间挤压，造成被测对象损坏的缺点。

2)成本较高

该测量装置，需要精密调节被测对象与磁块的距离，同时利用传感器和数据采集器，因此成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实验效果明显，既可以直观的演示超导磁悬浮现象，又可以定量的测试磁悬浮力的实验仪器。

超导体的主要特性迈斯纳效应—是由W.Meissner在1933年发现的。当超导体在弱磁场下冷却到其临界温度以下时，超导体进入超导态——其电阻为零。磁力线被从超导体内部排出，从而超导体表现出完全抗磁性，即迈斯纳效应。纯粹的迈斯纳效应只有在弱磁场下才能观察到。如果使用的是高温超导体(属于可以通过强磁场的一类超导体)情况更加复杂。在强磁场下，磁力线只有一部分被排出，一部分磁通穿过超导体，使用液氮作为冷却剂将超导体冷却至临界温度下，可以很容易地演示迈斯纳效应。

本实验仪器利用液氮作为冷却剂将超导体冷却到临界温度下，可以容易地演示磁力线被排出的现象，在进行超导磁悬浮演示实验时可以很明显的验证超导体的特性——迈斯纳效应。

超导磁悬浮现象是超导体在外磁场下冷却发生的。先放入磁块再冷却超导环，这种冷却方式称为场冷。在没有外磁场情况下冷却超导环，这种冷却方式称为零场冷。在两种不同的冷却方式下，超导环将表现不同的抗磁性。对于第二类超导体，强磁场可以穿透超导体并且被晶体的缺陷和晶界所俘获——即磁通钉扎效应。如果超导环在临近的外部磁场中被冷却至临界温度以下，超导体就会把磁块产生的磁通俘获在其内部。这样就会产生吸力和斥力来阻碍磁块和超导体之间相互位置的改变。即可以把磁块锁在超导体附近空间的某个位置效应。本装置就是利用超导体的钉扎效应而进行的超导环磁悬浮演示。

本发明的实验仪器是一种能示范超导特性的教学仪器，主要用于演示超导磁悬浮现象，主要包括超导环、磁导轨、保温容器、保温材料、隔离片、镊子和砝码组。本实验仪器中的超导环是用高温超导闭合线圈制成的，并且该闭合线圈是由高温超导线材绕制成的，所述的超导线材可以是Bi-2223超导线材或覆膜的YBCO系列的第二代高温超导线材中的任何一种。所述闭合线圈的连接可以是采用超导连接或是焊接形成闭合回路，连接长度为3～10cm。所述的闭合线圈可以是绕成双饼、单饼、多个双饼或者螺线管的形式。该闭合线圈可以绕成多圈，线圈的用线长度为1.5-5m。该闭合线圈在制作时使用环氧树脂进行固化。

所述的保温容器由较好的绝热材料制成的，绝热材料可以是泡沫或海绵，保温容器也可以是真空隔热容器。

本实验仪器中的磁导轨采用永磁体和镀锌铁板组成，永磁体粘附在镀锌铁板上，永磁体排列方式可以是单磁极排列或双磁极排列。镀锌铁板的长度为40-120cm、厚度为0.2-0.5cm、宽度为3-4cm。永磁体可以是合金永磁材料或者是铁氧体永磁材料，优选钕铁硼磁体；永磁体可以是方形或长方形，永磁体的长度为1-5cm、宽度为1-3cm、厚度为1-3cm。

超导环可以使用易吸附液氮的保温材料进行包覆，可以用纺织品包覆，可以是棉布、麻布、毛线、化纤材料或聚乙烯材料，以此吸附一定量的液氮，使得线圈在脱离液氮环境的一定时间内维持超导态，从而保证实验的持续和稳定。若演示时超导环是放置在泡沫保温容器中，则超导环可以不进行包覆。

本实验仪器可直观的演示超导体的完全抗磁性特性，演示时超导环在磁导轨上悬浮，并能在较小的外力下水平往复运动，还可以是倒悬浮于磁导轨下进行往复运动。本实验仪器还可对超导体的磁悬浮力进行定量测量，通过实验可很直观了解超导体的基本特性以及它的应用价值。

在演示超导环磁悬浮实验时，采用高温超导环和永磁块组成的磁导轨来完成磁悬浮实验，其效果比使用普通的固体超导块所做的传统超导磁悬浮实验效果更明显、更稳定。

在演示超导磁悬浮实验时，可以采用把包覆有保温材料超导环在保温容器中用液氮冷却，待超导环达到超导状态后，直接放在磁导轨上，调整位置，以使超导环平面与导轨基本平行，这时超导环悬浮在磁导轨上方。也可以将磁导轨倒置放置，使超导环紧贴在磁导轨表面，这时超导环悬挂在磁导轨下方。

在演示场冷下的磁悬浮时，需要隔离片将超导环和磁导轨隔离。实验时，在磁导轨上放上隔离片，将超导环置于保温容器中一起放置在隔离片上，把液氮倒入保温容器中冷却超导环，待超导环达到超导态后，取走隔离片，从而可实现保温容器和超导环的整体的悬浮。所述的隔离片采用非磁性、具有隔热性能的材料，可以是环氧树脂板或树脂板，厚度0.5mm-5mm。

在实验时，由于超导环可以使用易吸附液氮的保温材料进行包覆，使得超导环维持超导态的时间可达1-10分钟，从而保证实验的持续和稳定。

目前，定量测量超导悬浮力的装置普遍采用压力传感器方式测量，在缩小被测的超导材料与磁块之间的距离过程中，通过压力传感器所受到的压力值，来确定悬浮力。

本实验仪器采用高温超导环、永磁块组成的磁导轨以及砝码来进行磁悬浮力测试实验，通过在超导环或超导块上放置砝码来定量的测量磁悬浮力。解决了目前市场上的磁悬浮力测量仪容易损坏被测对象以及成本较高的缺点。

当所述的超导环处于磁悬浮状态时，可以在所述的超导环上叠加砝码以测试磁悬浮力的大小。在测试超导磁悬浮力时，将达到超导态的超导环放在磁导轨上方，调整位置，以使超导环平面与磁导轨基本平行，这时超导环就悬浮在磁导轨上方。依次将砝码叠放在超导环上方，观察超导环即将接触到导轨表面为止，计算砝码的总质量即可得到磁悬浮力的大小。本实验仪器采用的砝码是用铝合金、铜或不锈钢合金制作，直径为10-60mm，厚度为3-7mm。也可以将超导环换成不同大小的超导环或超导块来进行实验，通过本实验装置来测试不同超导环或超导块在超导态时的磁悬浮力的大小。

本发明具有以下优点：

本发明中使用的超导环是使用Bi-2223/Ag和YBCO系列的高温超导材料绕制的。该材料导线在超导态下的具有比20℃时的铜导线的电导率高4个数量级。由于采用多匝绕制，这样大大增强了超导环内部的感应电流及其所产生的感应磁场，从而增强了感应磁场和原磁场之间的相互作用力，因此实验效果非常显著。

本发明所使用的超导环外部使用易吸附液氮的纺织品包覆，可以是棉布、麻布、毛线、化纤材料或聚乙烯薄膜，以此吸附一定量的液氮使得线圈在脱离液氮环境的一定时间内维持超导态。在液氮中充分冷却后的超导环，在使之离开液氮后，仍然可以使超导环在导轨上悬浮1～5分钟甚至更长的时间，因而可以在悬浮过程中超导环可以往复做直线运动，还可以倒悬浮，大大增加了演示实验的观赏性、趣味性和便捷性。

本发明的实验仪器结构简单，操作简便，成本较低。

附图说明

图1为本教学仪器的磁悬浮装置示意图，其中：

超导环1，磁导轨2；

图2为本教学仪器的磁悬浮力测试示意图，其中：

超导环1，磁导轨2，砝码3；

图3为单磁极导轨示意图；

图4为双磁极导轨示意图。

具体实施方式

实施例1

将保温容器平放在桌面上，把超导环放在保温容器中，向保温容器中加入适量的液氮，为保证安全，尽量避免液氮溅洒。在液氮冷却超导环和保温容器的过程中，会因大量吸热而发生剧烈沸腾现象。当沸腾基本停止下来，超导环降到液氮相同的温度(零下196℃)，即进入超导态。此时准备工作就绪，可以开始进行实验。这种在无磁场环境下冷却超导环的方式称为零场冷。

用镊子把超导环从保温容器中夹出，放在导轨上方，调整位置，以使超导环平面与磁导轨基本平行。这时超导环悬浮在磁导轨上方，用镊子轻轻拨动超导环，超导环可以在磁导轨上往复运动。

实施例2

将磁导轨倒置放置，用镊子把超导环从保温容器取出，另一只手用直尺使超导环紧贴在磁导轨表面。移走镊子和直尺，这时超导环悬挂在磁导轨下方。用镊子轻轻拨动超导环，超导环可以悬挂在磁导轨的下方进行往复运动。

实施例3

将超导环放置在保温容器中，使其与保温容器内径紧密接触。将隔离片放置在磁导轨上，将泡沫保温容器放在隔离片上，加液氮冷却。这种在磁场环境下冷却超导环的方式称为场冷。

在液氮冷却超导环和保温容器的过程中，会因大量吸热而发生剧烈沸腾现象。当沸腾基本停止下来，超导环降到液氮相同的温度(零下196℃)，即进入超导态。此时准备工作就绪，可以开始进行实验。

取走隔离片，这时泡沫保温容器和超导环整体悬浮在磁导轨上方，用手轻轻拨动保温容器，保温容器在导轨上可以往复运动。

实施例4

用镊子把超导环从保温容器中夹出，放在磁导轨上方，调整位置，以使超导环平面与磁导轨基本平行。这时超导环悬浮在磁导轨上方。

依次将砝码叠放在超导环上方，观察超导环即将接触到磁导轨表面为止。计算砝码的总质量。

实施例5

取走隔离片，这时泡沫保温容器悬浮在磁导轨上方。

依次将砝码叠放在保温容器上面，观察保温容器即将接触到磁导轨表面为止，计算砝码的总质量。

实施例6

将超导块放置在保温容器中，使其与保温容器内径紧密接触。将隔离片放置在磁导轨上，将泡沫保温容器放在隔离片上，加液氮冷却。这种在磁场环境下冷却超导环的方式称为场冷。

在液氮冷却超导块和保温容器的过程中，会因大量吸热而发生剧烈沸腾现象，当沸腾基本停止下来，超导环降到液氮相同的温度(零下196℃)，即进入超导态。此时准备工作就绪，可以开始进行实验。

取走隔离片，这时泡沫保温容器和超导块整体悬浮在磁导轨上方。

依次将砝码叠放在保温容器上面，观察保温容器即将接触到导轨表面为止，计算砝码的总质量。

Claims

1.一种能演示超导磁悬浮特性的教学仪器，包括超导环、磁导轨和保温容器，其特征在于所述的超导环是用高温超导闭合线圈制成的。

2.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈是由高温超导线材绕制成的，所述的超导线材是Bi-2223超导线材或覆膜的YBCO系列的第二代高温超导线材中的任何一种。

3.根据权利要求1或2所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈的连接可以是采用超导连接或是焊接形成闭合回路，连接长度为3～10cm。

4.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈可以绕成双饼、单饼、多个双饼或者螺线管的形式。

5.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈绕成多圈，线圈的用线长度为1.5-5m，所述的闭合线圈在制作时使用环氧树脂进行固化。

6.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈可以使用易吸附液氮保温材料进行包覆，可以是用纺织品包覆，所述的保温材料可以是棉布、麻布、毛线、化纤材料或聚乙烯材料，所述的保温材料可吸附一定量的液氮使得线圈在脱离液氮环境的一定时间内维持超导态。

7.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于所述的磁导轨是由永磁体和镀锌铁板组成，所述的永磁体粘附在所述的镀锌铁板上，所述的永磁体排列方式可以是单磁极排列或双磁极排列。

8.根据权利要求7所述的教学仪器，其特征在于所述的镀锌铁板的长度为4()-120cm、厚度为0.2-0.5cm、宽度为3-4cm。

9.根据权利要求7所述的教学仪器，其特征在于所述永磁体可以是合金永磁材料或者铁氧体永磁材料，优选钕铁硼磁体；永磁体可以是方形或长方形，永磁体的长度为1-5cm、宽度为1-3cm、厚度为1-3cm。

10.根据权利要求1所述的教学仪器，其特征在于所述的保温容器由较好的绝热材料制成的，绝热材料可以是泡沫或海绵，所述的保温容器也可以是真空隔热容器。

11.根据权利要求1所述的教学仪器，在演示场冷下的磁悬浮时，需要隔离片将超导环和磁导轨隔离，所述的隔离片采用非磁性、具有隔热性能的材料，可以是环氧树脂板或树脂板，厚度0.5mm-5mm。

12.根据权利要求1所述的教学仪器，当所述的超导环处于磁悬浮状态时，可以在所述的超导环上叠加砝码以测试磁悬浮力的大小。

13.根据权利要求12所述的教学仪器，所述的砝码是用铝合金、铜或不锈钢合金制作，直径为10-60mm，厚度为3-7mm。