CN104778878A - 莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，包括小车、导轨、固定环和支架，导轨包括扭转180°后两头连接构成闭合圈的条形铁质基板和整齐排列四行粘贴在其上下两平面上的矩形块状磁铁；小车包括外壳、泡沫箱和泡沫箱盖组成的小车厢体和两圆柱状超导体，用液氮充分冷却超导体后，小车可悬浮在导轨上方。稍加推力，小车可沿导轨运行。从导轨水平处观察，小车先位于导轨上方，运行一周后，位于导轨下方，再运行一周后回到原位。小车倒挂于导轨下方时，液氮不会流出。小车连续地经过了莫比乌斯带导轨上每个位置，说明莫比乌斯带是一个单侧曲面。小车既可以悬浮在磁铁上方，也可以悬挂于磁铁下方，说明了超导磁悬浮的特性。

Description

莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置

技术领域

本发明涉及一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，特别是涉及一种利用莫比乌斯带单侧性演示超导磁悬浮现象以及同时利用超导磁悬浮现象演示莫比乌斯带单侧性的装置。

背景技术

莫比乌斯带是高等数学拓扑学的教学内容。它是150多年前德国数学家莫比乌斯推出的一种拓展图形。它将一根纸条剪断，将一端扭转180°后，与另一端重新粘贴成纸条圈。这样使得普通具有两个面(即双侧曲面)的纸带变化为只有一个面，即单侧曲面。一只小虫可以爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘。这样的带具有奇异的特性，一些在平面上无法解决的问题，却不可思议地在可以莫比乌斯带上解决，它在生活和生产中已经有了一些用途，为人们的日常生活和生产效率的提高发挥了积极的作用。但由于该内容有些抽象，理工类大学生大部分对它闻所未闻，有听说者也仅略知其外表，没有深层次的了解，更无法对它的应用和潜在的发展进行思考和研究，这大大限制了莫比乌斯带进一步在生活和生产中的应用。

超导磁悬浮是利用超导体的零电阻特性和迈斯纳效应将超导体悬浮在磁场中的现象。其原理是磁场可以部分穿过第二类超导体，根据楞次定律，感应电流会阻碍其内磁场的变化，对于超导体，穿过超导体的磁场就不会改变。所以超导体既可以悬浮在磁铁上方，也可以悬挂于磁铁下方。以往的磁悬浮装置只能演示其中一种特性。

发明内容

本发明的目的是针对高校理工科学生对莫比乌斯带单侧性以及超导磁悬浮现象认识不足的现状，提供一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，使学生形象地认识莫比乌斯带单侧性以及超导磁悬浮现象。

装有超导体的小车悬浮于粘贴有磁铁的莫比乌斯带导轨上并可沿导轨运行。从导轨水平处观察，小车先位于导轨上方，运行一周后，位于导轨下方，再运行一周后回到原来位置。

小车连续地经过了莫比乌斯带导轨上每个位置，爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘，说明莫比乌斯带是一个单侧曲面，形象地展现了莫比乌斯带的单侧性。

小车既可以悬浮在磁铁上方，也可以悬挂于磁铁下方，说明了超导磁悬浮的特性。利用莫比乌斯带的单侧性特点，将其作为导轨，连续地演示超导磁悬浮的这一特性，加深观察者对超导磁悬浮现象的理解。

本发明莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置包括小车、导轨、固定环和支架，导轨固定在固定环中央，四根支架支撑固定环，小车放在导轨平面的任一位置。

所述导轨包括条形铁质基板和矩形块状磁铁，条状铁质基板扭转180°后，两头连接构成闭合圈，矩形块状磁铁整齐排列四行粘贴在条状铁质基板两表面上，旁边两行磁铁N极垂直于铁质基板向外，中间两行磁铁S极垂直于铁质基板向外。

所述的小车包括外壳、小车厢体、两圆柱状超导体和尼龙搭扣，小车厢体包括泡沫箱和泡沫箱盖，泡沫箱顶面开有一圆孔，孔下部为圆筒，泡沫箱盖有一凸起圆柱体，其直径与箱顶面圆孔匹配，泡沫箱盖置于泡沫箱上，凸起圆柱体插入箱顶面圆孔，超导体固定在泡沫箱的底面，小车厢体外罩以外壳，尼龙搭扣将外壳和小车厢体捆成一体。

所述的支架呈枝丫形，上部伸出四根分支架，顶端连接六角固定环，固定环平面垂直于导轨，导轨固定在固定环中央穿越而过，六角固定环的内切圆半径大于小车高度。

所述的超导体为钇钡铜氧(YBa₂Cu₃O_7-x)材料。

本发明的有益效果是：1、充分展示莫比乌斯带基本性质，一辆超导磁悬浮小车在莫比乌斯带上行驶，爬遍整个曲面而不必跨过它的边缘，从而使观察者对之有深刻认识；2、在展示莫比乌斯带的同时，可观察到超导磁悬浮现象，并连续地演示小车可以悬浮在导轨上方和下方，加深观察者对超导磁悬浮现象的理解；3、演示形象生动，观看人感受深刻；4、演示装置结构简单，拆卸搬运方便。

附图说明

图1是莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置的结构示意图。

图2是本发明的导轨结构示意图。

图3是本发明的小车结构示意图。

图4是本发明的小车厢体结构示意图。

图5是本发明的小车厢体结构分解示意图。

图中：小车1、磁铁2、导轨3、铁质基板4、六角固定环5、支架6、导轨第一行磁铁7、导轨第二行磁铁8、导轨第三行磁铁9、导轨第四行磁铁10、导轨背面第一行磁铁11、小车外壳12、小车厢体13、尼龙搭扣14、泡沫箱15、泡沫箱盖16、泡沫箱盖圆柱17、泡沫箱孔18、泡沫箱圆筒19、超导体20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

如图1、2所示，莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置包括小车1、导轨3、六角固定环5和支架6，导轨3固定在固定环5中央，小车1放在导轨3平面的任一位置。所述的导轨3为宽8～10mm条状铁质基板扭转180°后，两头连接构成闭合圈，宽2.0～2.5mm矩形块状磁铁2排列四行粘贴在条状铁质基板4上下两平面上，旁边两行磁铁N极垂直于铁质基板向外，中间两行磁铁S极垂直于铁质基板向外。

如图3、4、5所示，小车1包括外壳12、小车厢体13、两圆柱状超导体钇钡铜氧(YBa₂Cu₃O_7-x)20和尼龙搭扣14，小车厢体13包括泡沫箱15和泡沫箱盖16，泡沫箱15顶面开有一圆孔18，孔下部为圆筒19，泡沫箱盖16中央有一凸起圆柱体17，其直径与箱顶面圆孔18匹配，泡沫箱盖16置于泡沫箱15上，凸起圆柱体17插入箱顶面圆孔18，超导体20固定在泡沫箱15的底面，小车厢体13置于外壳12内，尼龙搭扣14将外壳12和小车厢体13捆成一体。

演示时，揭去小车外壳12，打开泡沫箱盖16，经泡沫箱顶面圆孔18注入液氮，等3～5分钟，使泡沫箱15中的两超导体(YBa₂Cu₃O_7-x)20在液氮中充分冷却，达到超导态后，盖上泡沫箱盖16，罩上小车外壳12，用尼龙搭扣14将由泡沫箱盖16和泡沫箱15组成的小车厢体13与小车外壳12捆绑成一体。

将小车1放置在导轨3的任一位置上方1～2cm处，会感受到导轨对小车的斥力。用力定位小车1，反抗这一斥力，并将小车1保持一段时间。超导体钇钡铜氧(YBa₂Cu₃O_7-x)20属于第二类超导体，磁感应线可部分穿过第二类超导体，并分散在一个个磁通量子中，其周围被超导态包围。此后松开小车1，穿过超导体钇钡铜氧(YBa₂Cu₃O_7-x)20的磁场就不再改变，小车1将悬浮在导轨3上。原因如下：如果超导体远离或靠近磁铁，那么它当中的磁通量会发生变化，根据法拉第电磁感应定律，以及超导体零电阻的特性，在超导体将出现很大的感应电流，该电流在轨道外磁场所受的力将反抗小车远离或靠近磁铁的运动。

沿导轨3对小车1稍加推力，小车1便沿着导轨3向前运动。

当小车1行至轨道3另一面，呈倒挂前行时，由于泡沫箱15的顶面圆孔18下部为圆筒，高于内部顶面，因此氮液不会从泡沫箱孔18中流出。

Claims (5)

1.一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，其特征是利用莫比乌斯带单侧性演示超导磁悬浮现象以及同时利用超导磁悬浮现象演示莫比乌斯带单侧性，包括小车(1)、导轨(3)、六角固定环(5)和支架(6)，导轨(3)固定在六角固定环(5)中央，四根支架(6)支撑六角固定环(5)，小车(1)放在导轨(3)平面的任一位置。

2.根据权利要求1所述的一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，其特征在于所述的导轨(3)包括条形铁质基板(4)和矩形块状磁铁(2)，条状铁质基板(4)扭转180°后，两头连接构成闭合圈，矩形块状磁铁(2)整齐排列四行粘贴在条状铁质基板(4)两表面上，旁边两行磁铁N极垂直于铁质基板(4)向外，中间两行磁铁S极垂直于铁质基板(4)向外。

3.根据权利要求1所述的一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，其特征在于所述的小车(1)包括外壳(12)、小车厢体(13)、两圆柱状超导体(20)和尼龙搭扣(14)，小车厢体(13)包括泡沫箱(15)和泡沫箱盖(16)，泡沫箱(15)顶面开有一圆孔(18)，孔下部为圆筒(19)，泡沫箱盖(16)有一凸起圆柱体(17)，其直径与箱顶面圆孔(18)匹配，泡沫箱盖(16)置于泡沫箱(15)上，凸起圆柱体(17)插入泡沫箱(15)顶面圆孔(18)，超导体(20)固定在泡沫箱(15)的底面，小车厢体(13)置于外壳(12)内，尼龙搭扣(14)将外壳(12)和小车厢体(13)捆成一体。

4.根据权利要求1所述的一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，其特征在于所述的支架(6)呈枝丫形，上部伸出四根分支架，顶端连接六角固定环(5)，六角固定环(5)平面垂直于导轨(3)，导轨(3)固定在六角固定环(5)中央穿越而过，六角固定环(5)的内切圆半径大于小车(1)高度。

5.根据权利要求1所述的一种莫比乌斯带超导磁悬浮演示装置，其特征在于所述的超导体(20)为钇钡铜氧(YBa₂Cu₃O_7-x)材料。