CN104036677A - 一种高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于演示高温超导倒挂磁悬浮特性的教学实验装置。该装置由直线轨道、轨道支架、内含高温超导块材料的小车、小车旋转支架、加灌液氮漏斗，其中所用直线轨道由轨道底板和永磁体轨道组成。目前在高温超导教学及展览用品技术领域，普遍存在演示模型的体积较大，需要外接电源，且在运行中需要人工介入。本发明通过设计了一种高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，实现了超导倒挂悬浮特性的演示，通过本发明设计解决了目前市场上演示超导倒挂磁悬浮性能的实验装置空白。与现有的超导磁悬浮演示装置相比，本发明的创新点在于能够演示超导倒挂磁悬浮特性，且摆脱了外接电源的控制，装置设计小巧易携带。

Description

一种高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具

技术领域

本发明涉及一种高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，属于高温超导教学与应用技术领域。

背景技术

1911年荷兰科学家Onnes在测量低温下水银电阻率的时候发现了水银电阻消失的现象，这种现象被称为零电阻性，人们把这种电阻接近零的材料叫做超导体。随后，人们发现超导体处于超导态时存在两个基本特性，一是零电阻效应，二是完全抗磁性(又称迈斯纳效应)。对学生及普通群众来说，对完全抗磁性往往不好理解。

目前在上海运行的高速磁悬浮列车就是基于超导体的完全抗磁性原理来实现的。在日常教学中，教师讲解超导基本性质时，学生需先在感官上对磁悬浮有一个基本的了解，再辅以教师专业知识的传授从而掌握超导体的完全抗磁性。在科技展馆中更是由于观众年龄等差异更需要通过一种简单直观的演示装置来普及磁悬浮现象的原理。

近年来，越来越多的超导展品受到了科技展馆和大中院校的青睐，尤其是以超导磁悬浮列车为主的实验模型。一般这些演示超导材料正悬浮特性的模型的体积较大，需要外接电源以保证模型的正常运行，且在运行中当温度大于临界温度时需要人工介入以防止模型摔坏。而近年来演示高温超导材料的正悬浮特性的模型较多，暂时还未见专门针对演示倒悬浮特性的模型。

随着科学技术的进步，高温超导材料的研究应用也越来越广泛，近年来中高等院校及展馆对普及此高科技领域的理论知识提出了越来越多的需求，但是现有的教学演示装置，普遍存在着体积大不易携带、需要外接电源、大多只演示超导正悬浮特性等问题。随着超导材料的研究更加深入，有关超导材料各种物理知识的演示装置有着重要的直观指导意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种小巧的专门演示超导倒挂磁悬浮特性的演示实验教具，本发明的演示实验教具易携带，无需外接电源，只要充入液氮即可保证模型的稳定运行，且设计了专用的支架以防止模型在温度高于90K时脱落。本发明主要用来演示超 导倒挂磁悬浮性能，以供学生和观众从不同方面了解完全抗磁性。

一种新型高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，包括直线轨道、轨道支架、小车、小车旋转支架、加灌液氮漏斗；

直线轨道包括轨道底板和永磁体轨道，轨道底板采用铁磁性材料，永磁体轨道由铁板和吸附在铁板上的永磁体两部分组成，永磁体轨道吸附固定在轨道底板中，永磁体轨道的高度与轨道底板的高度平行；

直线轨道的两端连接轨道支架，轨道支架采用绝缘材料，用来固定直线轨道；

小车旋转支架位于小车下方，小车旋转支架的顶部与底部采用螺旋方式连接，高度能够上下调节，采用绝缘材料；

小车包括外壳、保温层、内层，保温层位于外壳与内层之间；

内层为高温超导块材，每个块材之间设有空隙，空隙用于储存液氮，紫铜圆环连接小车内层，使液氮通过紫铜圆环流入到小车内层，且紫铜圆环上设有液氮进气口和液氮出气口，其中液氮进气口在加灌液氮时，连接加灌液氮漏斗；

加灌液氮漏斗、固定支撑架采用分块式设计，当小车加灌液氮时，固定支撑架固定在直线轨道上，加灌液氮漏斗通过固定支撑架固定，加灌液氮漏斗连接小车液氮进气口，通过加灌液氮漏斗为小车内空腔加灌液氮；当加灌液氮完成时，加灌液氮漏斗与固定支撑架分离，固定支撑架与直线轨道分离；

加灌液氮漏斗、固定支撑架采用绝缘材质。

本发明的优点在于：

本发明提供的实验教具小巧、易携带、不需外接电源、使用安全方便、寿命长等。

本发明散热性良好，通过加入液氮装置，可以对运行中产生的温度及时散热，防止运行中当温度大于临界温度时需要人工介入以防止模型摔坏。

附图说明

图1为高温超导倒挂磁悬浮演示仪器的结果示意图。

图2为本发明的直线轨道示意图。

图3为本发明的小车旋转支架示意图。

图4为本发明的漏斗示意图。

图5为本发明的YBCO块材示意图。

图6为本发明的小车内层示意图。

图7为本发明的小车示意图。

图8为本发明的小车剖面示意图。

图中：

O—直线轨道；A—轨道底板；B—永磁体轨道；C—轨道支架；D—小车；E—小车旋转支架；F—漏斗。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种新型高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，如图1所示，包括直线轨道O、轨道支架C、内含高温超导块材料的小车D、小车旋转支架E、加灌液氮漏斗F；

如图2所示直线轨道O，包括轨道底板A和永磁体轨道B，

轨道底板A采用铁磁性材料，用来结合永磁体轨道B，构建直线型轨道O；

永磁体轨道B由铁板和吸附在铁板上的永磁体两部分组成，其中永磁体采用NdFeB永磁材料或钐钴SmCo合金永磁材料，采用这两种永磁材料的原因是它们具有较高的使用温度、矫顽力和较大的磁能积的性能，且原料资源丰富、成本低廉；

永磁体轨道B吸附固定在轨道底板A中，使得永磁体轨道B与轨道底板A结合，构建形成整体的直线型轨道O。其中，永磁体轨道B的高度与轨道底板A的高度平行，另外，在沿轨道底板A的宽度方向，永磁体的极性是呈S-N-S交替排列的；

演示过程中小车运行至轨道两端时，依靠惯性作用反弹继续运行直至温度高于YBCO临界温度(77K)时停下。

本发明中永磁体轨道B吸附固定在轨道底板A中，以避免NdFeB永磁体的损坏与丢失，延长整体使用寿命。

直线轨道O的两端连接轨道支架C，轨道支架C采用绝缘材料，用来固定直线轨道，提供小车演示倒挂磁悬浮特性的空间。

如图3所示，小车旋转支架E位于小车D下方，用来固定小车D，采用绝缘材料制成，其中小车旋转支架E的顶部与底部采用螺旋方式连接，方便高度上下的调节。

相比传统高度固定的支架的优点是：由于小车D与直线轨道O相互产生排斥力后，小车D对小车旋转支架E具有一定的压力，旋转调节支架高度以脱离小车时方便省力，不会磨损小车D外壳。

小车D如图7、图8所示，小车D包括外壳S、保温层T、内层U，

保温层T位于外壳S与内层U之间，保温层T的材料为聚苯乙烯泡沫，内层U采用YBCO块材；

如图6所示，为小车D内层U，采用YBCO材料制成，设计中选用的是尺寸为30mm直径的圆形超导块材。

内层U为高温超导块材，每个块材之间都有一定的空隙，这些空隙用于储存液氮，紫铜圆环R与小车D两侧的内层连接，使液氮通过紫铜圆环流入到小车内层，且紫铜圆环上设有液氮进气口P和液氮出气口Q，其中液氮进气口连接加灌液氮漏斗；

液氮进气口P连接加灌液氮漏斗F；

如图4所示，为加灌液氮漏斗F，采用绝缘材质制成，通过加灌液氮漏斗F在小车D的液氮进气口P固定后加灌液氮不仅能够避免液氮的损失，还能够防止由于低温对人造成的伤害。

如图5所示，为固定支撑加灌液氮漏斗F的固定支撑架，也是采用绝缘材质制成的。

加灌液氮漏斗F、固定支撑架采用分块式设计，当小车D加灌液氮时，固定支撑架固定在直线轨道O上，加灌液氮漏斗F通过固定支撑架固定，加灌液氮漏斗F连接小车液氮进气口P，通过加灌液氮漏斗F为小车D内空腔加灌液氮；当加灌液氮完成时，加灌液氮漏斗F与固定支撑架分离，固定支撑架与直线轨道O分离，方便进行演示；

本发明实验教具中：小车旋转支架E将小车D固定在直线轨道O下，中间无缝隙；将小车D的液氮进气口上放置加灌液氮漏斗F，灌入液氮直到小车D的2个液氮排气口排出少微液氮；下降小车旋转支架E的高度，随着小车旋转支架E的脱离，小车D逐渐悬浮倒挂在直线轨道O下。小车D中部设计了用紫铜材料制成的圆环，在温度高于临界温度(大约在90K左右)时可防止小车脱落，在高温超导块材外部与小车外壳内部中间处套有保温材料，延长演示时间。

本发明的原理为：当YBCO高温超导块材冷却到液氮温度(77K)时转变为超导态，YBCO 高温超导块处于一个沿垂直方向变化的磁场中时可感应出屏蔽电流，YBCO高温超导块的零电阻效应使屏蔽电流基本不变。由屏蔽电流产生的磁场与直线轨道O磁场相排斥，排斥力大于重力时，含有YBCO高温超导块的小车可悬浮于空中。在冷却过程中，由于YBCO高温超导块的磁通钉扎效应，YBCO高温超导块得以稳定地倒挂在永磁轨道的下方。

由于沿直线轨道O方向磁场基本没有变化，因此悬浮的YBCO高温超导块运动时不受磁阻尼力的影响，而沿直线轨道O横向磁场梯度大，YBCO高温超导块受到了很大的磁阻尼力，故YBCO高温超导块可以被约束在直线轨道O上运动。由于YBCO高温超导块与直线轨道O之间没有摩擦，只要给YBCO高温超导块很小的推动力，YBCO高温超导块就可以在轨道上运动，如果轨道磁场非常均匀，且YBCO高温超导块在封闭的真空状态下运动，运动速度基本不变。

本发明一种高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具具体操作的实施步骤为：

第一步：调节小车旋转支架E的高度到小车D紧密贴合于直线轨道O下；

第二步：将漏斗F固定好后，从小车D的液氮进气口充入液氮直至小车D的2个液氮排气口排出少量液氮为止；

第三步：旋转调节小车支架E的高度使支架与小车D脱离，此时在小车D倒挂悬浮于直线轨道O下，后轻轻推动小车D让小车D运行；

第四步：由于装置小巧轻便，小车D运行至直线轨道O边缘将通过惯性作用返回至直线轨道O的另一侧，直至小车D内的温度高于90K时停下。

Claims (5)

1.一种新型高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，包括直线轨道、轨道支架、小车、小车旋转支架、加灌液氮漏斗；

直线轨道包括轨道底板和永磁体轨道，轨道底板采用铁磁性材料，永磁体轨道由铁板和吸附在铁板上的永磁体两部分组成，永磁体轨道吸附固定在轨道底板中，永磁体轨道的高度与轨道底板的高度平行；

直线轨道的两端连接轨道支架，轨道支架采用绝缘材料，用来固定直线轨道；

小车旋转支架位于小车下方，小车旋转支架的顶部与底部采用螺旋方式连接，高度能够上下调节，采用绝缘材料；

小车包括外壳、保温层、内层，保温层位于外壳与内层之间；

内层为高温超导块材，每个块材之间设有空隙，空隙用于储存液氮，紫铜圆环连接小车内层，使液氮通过紫铜圆环流入到小车内层，且紫铜圆环上设有液氮进气口和液氮出气口，其中液氮进气口在加灌液氮时，连接加灌液氮漏斗；

加灌液氮漏斗、固定支撑架采用分块式设计，当小车加灌液氮时，固定支撑架固定在直线轨道上，加灌液氮漏斗通过固定支撑架固定，加灌液氮漏斗连接小车液氮进气口，通过加灌液氮漏斗为小车内空腔加灌液氮；当加灌液氮完成时，加灌液氮漏斗与固定支撑架分离，固定支撑架与直线轨道分离；

加灌液氮漏斗、固定支撑架采用绝缘材质。

2.根据权利要求1所述的一种新型高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，所述的永磁体采用NdFeB永磁材料或钐钴SmCo合金永磁材料。

3.根据权利要求1所述的一种新型高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，所述的永磁体极性在沿轨道底板A的宽度方向呈S-N-S交替排列。

4.根据权利要求1所述的一种新型高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，所述的小车保温层采用聚苯乙烯泡沫。

5.根据权利要求1所述的一种新型高温超导倒挂磁悬浮演示实验教具，所述的小车内层为30mm直径的圆柱形YBCO高温超导材料。