CN105810057A - 一种超导磁悬浮实验教具 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超导教学及展览用品技术领域，特别涉及一种超导磁悬浮实验教具。在永磁轨道上方或下方设置低温容器，在低温容器中设置超导块；所述永磁轨道由纯铁和吸附在纯铁上的永磁铁构成，沿永磁轨道的宽度方向，依次由纯铁、永磁铁、纯铁、永磁铁、纯铁相连排列构成。本发明超导磁悬浮实验教具具有安全、小巧、易携带、演示效果突出、展示原理丰富、使用方便、使用寿命长等优点。

Description

一种超导磁悬浮实验教具
技术领域
本发明属于超导教学及展览用品技术领域，特别涉及一种超导磁悬浮实验教具。
背景技术
随着超导材料研究的不断进展，超导材料的应用前景也越来越受到人们的重视和期待。为直观展示和普及有关超导材料特性的物理知识，大量的超导展品受到了科技展馆和大中院校的青睐，尤其是高温超导磁悬浮实验模型。模型中通常采用的方法是采用超导磁浮车的方式。该方式的优点是生动直观，对观众及学生的冲击感很强，其不足之处在于该展品一般只能展示超导材料的正悬浮特性，而不易展示倒悬浮特性，且展品体积一般比较大，不易携带而且展品外部结霜现象十分严重，影响展品的演示效果。为了解决这一问题，本专利设计了一种小巧的教具展品既能拥有磁浮车模型的展示效果，又能方便展示超导材料的全面磁悬浮特性，而且展品的尺寸极为小巧，易于作为课堂教具或流动科普展品。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种超导磁悬浮实验教具。
一种超导磁悬浮实验教具，在永磁轨道上方或下方设置低温容器，在低温容器中设置超导块；所述永磁轨道由纯铁和吸附在纯铁上的永磁铁构成，沿永磁轨道的宽度方向，依次由纯铁、永磁铁、纯铁、永磁铁、纯铁相连排列构成。
所述永磁轨道设置在轨道支架上。
所述低温容器的材质为铜或黄铜。
所述低温容器外侧设置保温层。
所述低温层的材质为聚苯乙烯。
所述永磁轨道为直线形轨道或圆形轨道、椭圆形轨道或跑道形轨道等简单形状轨道。
所述直线型轨道两端采用垂直方向充磁的磁体作为束缚(图一，如果使用闭合式环形轨道则不用束缚磁体)。
所述超导块的材质为钇钡铜氧超导材料。
所述永磁铁为钕铁硼(NdFeB)永久磁铁。
当钇钡铜氧超导材料被冷却到液氮温度(-196℃)时，就从正常态转变为超导态。超导块处于一个沿垂直方向变化的磁场中，从而在超导块内感应出屏蔽电流。超导块的零电阻效应使屏蔽电流不衰减。由屏蔽电流产生的磁场与永磁轨道磁场相互排斥，当排斥力大于重力时，超导块就可以悬浮在空中。在冷却过程中，由于超导块的磁通钉扎效应，超导块得以稳定地悬浮在永磁轨道上方或倒吊于永磁轨道的下方。
当悬浮着的超导块运动时，沿永磁轨道长度方向(即运动方向)几乎没有磁场变化，因此超导块受到的磁阻尼力很小，而沿永磁轨道横向磁场梯度大，超导块受到的磁阻尼力很大，所以超导块可以被约束在永磁轨道上运动。由于超导块和永磁轨道之间没有直接的接触摩擦，只要沿永磁轨道延伸方向给超导体一个很小的推动力，超导块就将沿永磁轨道方向运动。如果永磁轨道磁场非常均匀(没有磁阻尼的理想状态)，且超导块在封闭的真空状态下运动，运动速度将不会衰减。
之前的轨道设计一般采用沿轨道宽度方向，磁铁极性呈S-N-S交替排列，这种轨道方式虽然简单，但轨道上下表面磁场方向相反，如果演示超导材料的倒悬浮效果必须翻转轨道，操作较为困难，而且液氮不容易保存，演示时间较短，效果不理想。本发明的永磁轨道设计使用了组合磁体的设计方式，沿永磁轨道宽度方向，由纯铁-磁铁-纯铁-磁铁交替排列，最强场强出现在轨道中间铁芯位置，永磁轨道上下表面磁场分布基本一致且场强较高，这样，演示超导块的倒悬浮无须翻转轨道，只要将低温容器从轨道上方移至下方即可，使操作比较简单，不会造成液氮流出，降低液氮伤害危险。
为在演示的过程中尽可能延长演示时间及保护超导材料，特意加装了聚苯乙烯的保护套，该保护套可以对超导块提供保温及保护，这样不但可以保证演示效果，又可以防止超导块滑落导致损坏。
本发明的有益效果为：
本发明超导磁悬浮实验教具具有安全、小巧、易携带、演示效果突出、展示原理丰富、使用方便、使用寿命长等优点。
附图说明
图1为本发明超导磁悬浮实验教具的装置结构示意图；
图2为本发明永磁轨道俯视图；
图3为本发明永磁轨道磁场分布图；
图4为本发明低温容器及保温层结构示意图；
图中标号：1-永磁轨道、2-低温容器、3-超导块、4-轨道支架、5-保温层、6-纯铁、7-永磁铁。
具体实施方式
本发明提供了一种超导磁悬浮实验教具，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种超导磁悬浮实验教具，在永磁轨道1上方或下方设置低温容器2，在低温容器2中设置超导块3；所述永磁轨道1由纯铁和吸附在纯铁上的永磁铁构成，沿永磁轨道1的宽度方向，依次由纯铁6、永磁铁7、纯铁6、永磁铁7、纯铁6相连排列构成。
所述永磁轨道1设置在轨道支架4上。
所述低温容器2的材质为铜或黄铜。
所述低温容器2外侧设置保温层5。
所述低温层5的材质为聚苯乙烯。
所述永磁轨道1为直线形轨道或圆形轨道、椭圆形轨道或跑道形轨道等简单形状轨道。
所述直线型轨道两端采用垂直方向充磁的磁体作为束缚(图一，如果使用闭合式环形轨道则不用束缚磁体)。
所述超导块3的材质为钇钡铜氧超导材料。
所述永磁铁为钕铁硼(NdFeB)永久磁铁。
实施例1
(1)选用合适尺寸的超导材料，本实施例中选用的是直径为25mm的圆形超导块3，超导块3尺寸过大和过小均会影响演示效果，范围一般应选择在10mm至30mm之间，形状为圆柱形或方形。
(2)轨道支架4选用铝合金材料或其它密度较小又具有一定强度的非铁磁性材料，不但可以减轻装置的总体重量又可以对永磁轨道1提供保护。
(3)永磁轨道1由纯铁6和吸附其上的钕铁硼(NdFeB)永磁铁7材料构成。沿轨道宽度方向，由纯铁6-永磁铁7-纯铁6-永磁铁-纯铁6交替排列，直线型永磁轨道1两端采用垂直方向充磁的磁体作为束缚(图一，如果使用环形轨道则不用束缚磁体)，避免在演示过程中超导块3冲出永磁轨道1。最强场强出现在轨道中间铁芯位置，轨道上下表面磁场分布基本一致且场强较高，这样，演示超导块3的到悬浮无须翻转永磁轨道1，只要将低温容器2从永磁轨道1上方移至下方即可，使操作比较简单，不会造成液氮流出，降低液氮伤害危险。
(4)永磁轨道1嵌入轨道支架4并加以固定，永磁轨道1采用螺栓固定，这样即避免了永磁体的损坏，又增加了安全性，延长了展品的整体使用寿命。
(5)低温容器2采用铜或黄铜和聚苯乙烯材料，用以填充液氮，通过精确加工可以实现严密的配合，利用在低温条件下铜或黄铜和聚苯乙烯的收缩不同实现对低温容器2的自密闭，使液氮在低温容器2翻转的状态下不易流出，保证展品的演示效果。

Claims (9)

1.一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，在永磁轨道(1)上方或下方设置低温容器(2)，在低温容器(2)中设置超导块(3)；所述永磁轨道(1)由纯铁和吸附在纯铁上的永磁铁构成，沿永磁轨道(1)的宽度方向，依次由纯铁、永磁铁、纯铁、永磁铁、纯铁相连排列构成。
2.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述永磁轨道(1)设置在轨道支架(4)上。
3.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述低温容器(2)的材质为铜或黄铜。
4.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述低温容器(2)外侧设置保温层(5)。
5.根据权利要求4所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述低温层(5)的材质为聚苯乙烯。
6.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述永磁轨道(1)为直线形轨道或圆形轨道、椭圆形轨道或跑道形轨道。
7.根据权利要求6所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述直线型轨道两端采用垂直方向充磁的磁体作为束缚。
8.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述超导块(3)的材质为钇钡铜氧超导材料。
9.根据权利要求1所述的一种超导磁悬浮实验教具，其特征在于，所述永磁铁为钕铁硼永久磁铁。
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