一種可演示超導磁懸浮現(xiàn)象以及測試磁懸浮力的實驗儀器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉一種能演示超導磁懸浮現(xiàn)象的實驗儀器，主要用于演示超導磁懸浮現(xiàn)象，主要包括超導環(huán)、磁導軌、保溫容器、保溫材料、隔離片、鑷子和砝碼組。超導環(huán)是用高溫超導閉合線圈制成的。演示時超導環(huán)在磁導軌上懸浮，并能在較小的外力下水平往復運動，還可以是倒懸浮于磁導軌下進行往復運動。本實驗儀器還可采用高溫超導環(huán)、永磁塊組成的磁導軌以及砝碼來進行磁懸浮力測試實驗，通過在超導環(huán)或超導塊上放置砝碼來定量的測量磁懸浮力。
【專利說明】一種可演示超導磁懸浮現(xiàn)象以及測試磁懸浮力的實驗儀器
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種教學儀器，尤其涉及一種能演示超導磁懸浮現(xiàn)象的實驗儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]超導現(xiàn)象是指某種材料在低于某一溫度(稱為超導轉(zhuǎn)變溫度Tc)時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。
[0003]首個超導體發(fā)現(xiàn)在1911年，它被稱為低溫超導體，只有被冷卻到零下269°C (4K)才能顯示出超導性。由于達到這樣低的溫度的成本極其昂貴，因此這類超導體的實際應用是有限的。1986年，高溫超導(HTSC)的發(fā)現(xiàn)，使得在超導領域中出現(xiàn)了一個關(guān)鍵性的突破。由于冷卻條件和成本是及其低廉的，因此HTSC是具有實際應用價值的。超導體具有許多特性，其中最主要的是零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性現(xiàn)象(邁斯納效應)。
[0004]超導體零電阻效應:目前，普遍使用的B1-2223/Ag和YBCO超導線材Tc高于液氮沸點，屬于高溫超導材料。這種導線在超導態(tài)下的電阻率與銅導線在溫度為20°C時的電阻率相差1.75萬倍。從理論上講，在保持外界條件不變情況下，超導材料中的電流可以幾乎不發(fā)生衰減。
[0005]超導體的完全抗磁性:當把超導體置于外加磁場時，磁通不能穿透超導體，而使其體內(nèi)的磁感應強度始終保持為零，超導體的這個特性又稱為邁斯納(Meissner)效應。
[0006]超導體的磁通釘扎效應:在某類超導體中，導體內(nèi)部晶體缺陷與磁通線(由外磁場激發(fā))之間的相互作用力能阻滯磁通線的自由運動，叫做對磁通線的釘扎力。晶體缺陷叫做釘扎中心。
[0007]完全抗磁性和零電阻效應是超導材料的兩個主要特征。當超導體處于外磁場中時，由于抗磁性和磁通釘扎效應的作用，在超導體內(nèi)部將感應出屏蔽電流，又由于零電阻效應所致，屏蔽電流幾乎不隨時間衰減。在超導體內(nèi)持續(xù)流動的屏蔽電流產(chǎn)生的磁場與外磁場發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生超導磁懸浮現(xiàn)象。
[0008]現(xiàn)有可使用的SML-1I超導磁懸浮力測量實驗儀，該裝置可驗證超導體的完全抗磁性特性，顯示超導體排斥磁通的能力，測量排斥力大小與距離的關(guān)系，該裝置存在兩個不足:
[0009]I)被測對象容易損壞
[0010]由于該裝置使用的是超導塊材，即YBaCuO塊材，在測量中，需要使用肉眼觀察超導塊材和磁塊之間的距離，因此容易發(fā)生超導塊材和磁塊之間擠壓，造成被測對象損壞的缺點。
[0011]2)成本較高
[0012]該測量裝置，需要精密調(diào)節(jié)被測對象與磁塊的距離，同時利用傳感器和數(shù)據(jù)采集器，因此成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0013]本發(fā)明的目的在于提供一種實驗效果明顯，既可以直觀的演示超導磁懸浮現(xiàn)象，又可以定量的測試磁懸浮力的實驗儀器。
[0014]超導體的主要特性邁斯納效應一是由W.Meissner在1933年發(fā)現(xiàn)的。當超導體在弱磁場下冷卻到其臨界溫度以下時，超導體進入超導態(tài)——其電阻為零。磁力線被從超導體內(nèi)部排出，從而超導體表現(xiàn)出完全抗磁性，即邁斯納效應。純粹的邁斯納效應只有在弱磁場下才能觀察到。如果使用的是高溫超導體(屬于可以通過強磁場的一類超導體)情況更加復雜。在強磁場下，磁力線只有一部分被排出，一部分磁通穿過超導體，使用液氮作為冷卻劑將超導體冷卻至臨界溫度下，可以很容易地演示邁斯納效應。
[0015]本實驗儀器利用液氮作為冷卻劑將超導體冷卻到臨界溫度下，可以容易地演示磁力線被排出的現(xiàn)象，在進行超導磁懸浮演示實驗時可以很明顯的驗證超導體的特性——邁斯納效應。
[0016]超導磁懸浮現(xiàn)象是超導體在外磁場下冷卻發(fā)生的。先放入磁塊再冷卻超導環(huán)，這種冷卻方式稱為場冷。在沒有外磁場情況下冷卻超導環(huán)，這種冷卻方式稱為零場冷。在兩種不同的冷卻方式下，超導環(huán)將表現(xiàn)不同的抗磁性。對于第二類超導體，強磁場可以穿透超導體并且被晶體的缺陷和晶界所俘獲——即磁通釘扎效應。如果超導環(huán)在臨近的外部磁場中被冷卻至臨界溫度以下，超導體就會把磁塊產(chǎn)生的磁通俘獲在其內(nèi)部。這樣就會產(chǎn)生吸力和斥力來阻礙磁塊和超導體之間相互位置的改變。即可以把磁塊鎖在超導體附近空間的某個位置效應。本裝置就是利用超導體的釘扎效應而進行的超導環(huán)磁懸浮演示。
[0017]本發(fā)明的實驗儀器是一種能示范超導特性的教學儀器，主要用于演示超導磁懸浮現(xiàn)象，主要包括超導環(huán)、磁導軌、保溫容器、保溫材料、隔離片、鑷子和砝碼組。本實驗儀器中的超導環(huán)是用高溫超導閉合線圈制成的，并且該閉合線圈是由高溫超導線材繞制成的，所述的超導線材可以是B1-2223超導線材或覆膜的YBCO系列的第二代高溫超導線材中的任何一種。所述閉合線圈的連接可以是采用超導連接或是焊接形成閉合回路，連接長度為3?10cm。所述的閉合線圈可以是繞成雙餅、單餅、多個雙餅或者螺線管的形式。該閉合線圈可以繞成多圈，線圈的用線長度為1.5-5m。該閉合線圈在制作時使用環(huán)氧樹脂進行固化。
[0018]所述的保溫容器由較好的絕熱材料制成的，絕熱材料可以是泡沫或海綿，保溫容器也可以是真空隔熱容器。
[0019]本實驗儀器中的磁導軌采用永磁體和鍍鋅鐵板組成，永磁體粘附在鍍鋅鐵板上，永磁體排列方式可以是單磁極排列或雙磁極排列。鍍鋅鐵板的長度為40-120cm、厚度為0.2-0.5cm、寬度為3_4cm。永磁體可以是合金永磁材料或者是鐵氧體永磁材料,優(yōu)選釹鐵硼磁體；永磁體可以是方形或長方形，永磁體的長度為l_5cm、寬度為l-3cm、厚度為l_3cm。
[0020]超導環(huán)可以使用易吸附液氮的保溫材料進行包覆，可以用紡織品包覆，可以是棉布、麻布、毛線、化纖材料或聚乙烯材料，以此吸附一定量的液氮，使得線圈在脫離液氮環(huán)境的一定時間內(nèi)維持超導態(tài)，從而保證實驗的持續(xù)和穩(wěn)定。若演示時超導環(huán)是放置在泡沫保溫容器中，則超導環(huán)可以不進行包覆。
[0021]本實驗儀器可直觀的演示超導體的完全抗磁性特性，演示時超導環(huán)在磁導軌上懸浮，并能在較小的外力下水平往復運動，還可以是倒懸浮于磁導軌下進行往復運動。本實驗儀器還可對超導體的磁懸浮力進行定量測量，通過實驗可很直觀了解超導體的基本特性以及它的應用價值。[0022]在演示超導環(huán)磁懸浮實驗時，采用高溫超導環(huán)和永磁塊組成的磁導軌來完成磁懸浮實驗，其效果比使用普通的固體超導塊所做的傳統(tǒng)超導磁懸浮實驗效果更明顯、更穩(wěn)定。
[0023]在演示超導磁懸浮實驗時，可以采用把包覆有保溫材料超導環(huán)在保溫容器中用液氮冷卻，待超導環(huán)達到超導狀態(tài)后，直接放在磁導軌上，調(diào)整位置，以使超導環(huán)平面與導軌基本平行，這時超導環(huán)懸浮在磁導軌上方。也可以將磁導軌倒置放置，使超導環(huán)緊貼在磁導軌表面，這時超導環(huán)懸掛在磁導軌下方。
[0024]在演示場冷下的磁懸浮時，需要隔離片將超導環(huán)和磁導軌隔離。實驗時，在磁導軌上放上隔離片，將超導環(huán)置于保溫容器中一起放置在隔離片上，把液氮倒入保溫容器中冷卻超導環(huán)，待超導環(huán)達到超導態(tài)后，取走隔離片，從而可實現(xiàn)保溫容器和超導環(huán)的整體的懸浮。所述的隔離片采用非磁性、具有隔熱性能的材料，可以是環(huán)氧樹脂板或樹脂板，厚度
0.5mm-5mm0
[0025]在實驗時，由于超導環(huán)可以使用易吸附液氮的保溫材料進行包覆，使得超導環(huán)維持超導態(tài)的時間可達1-10分鐘，從而保證實驗的持續(xù)和穩(wěn)定。
[0026]目前，定量測量超導懸浮力的裝置普遍采用壓力傳感器方式測量，在縮小被測的超導材料與磁塊之間的距離過程中，通過壓力傳感器所受到的壓力值，來確定懸浮力。
[0027]本實驗儀器采用高溫超導環(huán)、永磁塊組成的磁導軌以及砝碼來進行磁懸浮力測試實驗，通過在超導環(huán)或超導塊上放置砝碼來定量的測量磁懸浮力。解決了目前市場上的磁懸浮力測量儀容易損壞被測對象以及成本較高的缺點。
[0028]當所述的超導環(huán)處于磁懸浮狀態(tài)時，可以在所述的超導環(huán)上疊加砝碼以測試磁懸浮力的大小。在測試超導磁懸浮力時，將達到超導態(tài)的超導環(huán)放在磁導軌上方，調(diào)整位置，以使超導環(huán)平面與磁導軌基本平行，這時超導環(huán)就懸浮在磁導軌上方。依次將砝碼疊放在超導環(huán)上方，觀察超導環(huán)即將接觸到導軌表面為止，計算砝碼的總質(zhì)量即可得到磁懸浮力的大小。本實驗儀器采用的砝碼是用鋁合金、銅或不銹鋼合金制作，直徑為10-60mm，厚度為3-7_。也可以將超導環(huán)換成不同大小的超導環(huán)或超導塊來進行實驗，通過本實驗裝置來測試不同超導環(huán)或超導塊在超導態(tài)時的磁懸浮力的大小。
[0029]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0030]本發(fā)明中使用的超導環(huán)是使用B1-2223/Ag和YBCO系列的高溫超導材料繞制的。該材料導線在超導態(tài)下的具有比20°C時的銅導線的電導率高4個數(shù)量級。由于采用多匝繞制，這樣大大增強了超導環(huán)內(nèi)部的感應電流及其所產(chǎn)生的感應磁場，從而增強了感應磁場和原磁場之間的相互作用力，因此實驗效果非常顯著。
[0031]本發(fā)明所使用的超導環(huán)外部使用易吸附液氮的紡織品包覆，可以是棉布、麻布、毛線、化纖材料或聚乙烯薄膜，以此吸附一定量的液氮使得線圈在脫離液氮環(huán)境的一定時間內(nèi)維持超導態(tài)。在液氮中充分冷卻后的超導環(huán)，在使之離開液氮后，仍然可以使超導環(huán)在導軌上懸浮I?5分鐘甚至更長的時間，因而可以在懸浮過程中超導環(huán)可以往復做直線運動，還可以倒懸浮，大大增加了演示實驗的觀賞性、趣味性和便捷性。
[0032]本發(fā)明的實驗儀器結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，成本較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本教學儀器的磁懸浮裝置示意圖，其中:[0034]超導環(huán)I，磁導軌2;
[0035]圖2為本教學儀器的磁懸浮力測試示意圖，其中:
[0036]超導環(huán)1，磁導軌2，砝碼3 ；
[0037]圖3為單磁極導軌示意圖；
[0038]圖4為雙磁極導軌示意圖。
【具體實施方式】
[0039]實施例1
[0040]將保溫容器平放在桌面上，把超導環(huán)放在保溫容器中，向保溫容器中加入適量的液氮，為保證安全，盡量避免液氮濺灑。在液氮冷卻超導環(huán)和保溫容器的過程中，會因大量吸熱而發(fā)生劇烈沸騰現(xiàn)象。當沸騰基本停止下來，超導環(huán)降到液氮相同的溫度(零下1960C )，即進入超導態(tài)。此時準備工作就緒，可以開始進行實驗。這種在無磁場環(huán)境下冷卻超導環(huán)的方式稱為零場冷。
[0041]用鑷子把超導環(huán)從保溫容器中夾出，放在導軌上方，調(diào)整位置，以使超導環(huán)平面與磁導軌基本平行。這時超導環(huán)懸浮在磁導軌上方，用鑷子輕輕撥動超導環(huán)，超導環(huán)可以在磁導軌上往復運動。
[0042]實施例2
[0043]將磁導軌倒置放置，用鑷子把超導環(huán)從保溫容器取出，另一只手用直尺使超導環(huán)緊貼在磁導軌表面。移走鑷子和直尺，這時超導環(huán)懸掛在磁導軌下方。用鑷子輕輕撥動超導環(huán)，超導環(huán)可以懸掛在磁導軌的下方進行往復運動。
[0044]實施例3
[0045]將超導環(huán)放置在保溫容器中，使其與保溫容器內(nèi)徑緊密接觸。將隔離片放置在磁導軌上，將泡沫保溫容器放在隔離片上，加液氮冷卻。這種在磁場環(huán)境下冷卻超導環(huán)的方式稱為場冷。
[0046]在液氮冷卻超導環(huán)和保溫容器的過程中，會因大量吸熱而發(fā)生劇烈沸騰現(xiàn)象。當沸騰基本停止下來，超導環(huán)降到液氮相同的溫度(零下196°C)，即進入超導態(tài)。此時準備工作就緒，可以開始進行實驗。
[0047]取走隔離片，這時泡沫保溫容器和超導環(huán)整體懸浮在磁導軌上方，用手輕輕撥動保溫容器，保溫容器在導軌上可以往復運動。
[0048]實施例4
[0049]將保溫容器平放在桌面上，把超導環(huán)放在保溫容器中，向保溫容器中加入適量的液氮，為保證安全，盡量避免液氮濺灑。在液氮冷卻超導環(huán)和保溫容器的過程中，會因大量吸熱而發(fā)生劇烈沸騰現(xiàn)象。當沸騰基本停止下來，超導環(huán)降到液氮相同的溫度(零下1960C )，即進入超導態(tài)。此時準備工作就緒，可以開始進行實驗。這種在無磁場環(huán)境下冷卻超導環(huán)的方式稱為零場冷。
[0050]用鑷子把超導環(huán)從保溫容器中夾出，放在磁導軌上方，調(diào)整位置，以使超導環(huán)平面與磁導軌基本平行。這時超導環(huán)懸浮在磁導軌上方。
[0051]依次將砝碼疊放在超導環(huán)上方，觀察超導環(huán)即將接觸到磁導軌表面為止。計算砝碼的總質(zhì)量。[0052]實施例5
[0053]將超導環(huán)放置在保溫容器中，使其與保溫容器內(nèi)徑緊密接觸。將隔離片放置在磁導軌上，將泡沫保溫容器放在隔離片上，加液氮冷卻。這種在磁場環(huán)境下冷卻超導環(huán)的方式稱為場冷。
[0054]在液氮冷卻超導環(huán)和保溫容器的過程中，會因大量吸熱而發(fā)生劇烈沸騰現(xiàn)象。當沸騰基本停止下來，超導環(huán)降到液氮相同的溫度(零下196°C)，即進入超導態(tài)。此時準備工作就緒，可以開始進行實驗。
[0055]取走隔離片，這時泡沫保溫容器懸浮在磁導軌上方。
[0056]依次將砝碼疊放在保溫容器上面，觀察保溫容器即將接觸到磁導軌表面為止，計算砝碼的總質(zhì)量。
[0057]實施例6
[0058]將超導塊放置在保溫容器中，使其與保溫容器內(nèi)徑緊密接觸。將隔離片放置在磁導軌上，將泡沫保溫容器放在隔離片上，加液氮冷卻。這種在磁場環(huán)境下冷卻超導環(huán)的方式稱為場冷。
[0059]在液氮冷卻超導塊和保溫容器的過程中，會因大量吸熱而發(fā)生劇烈沸騰現(xiàn)象，當沸騰基本停止下來，超導環(huán)降到液氮相同的溫度(零下196°C)，即進入超導態(tài)。此時準備工作就緒，可以開始進行實驗。
[0060]取走隔離片，這時泡沫保溫容器和超導塊整體懸浮在磁導軌上方。
[0061]依次將砝碼疊放在保溫容器上面，觀察保溫容器即將接觸到導軌表面為止，計算砝碼的總質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.一種能演示超導磁懸浮特性的教學儀器，包括超導環(huán)、磁導軌和保溫容器，其特征在于所述的超導環(huán)是用高溫超導閉合線圈制成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，其特征在于所述的閉合線圈是由高溫超導線材繞制成的，所述的超導線材是B1-2223超導線材或覆膜的YBCO系列的第二代高溫超導線材中的任何一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的教學儀器，其特征在于所述的閉合線圈的連接可以是采用超導連接或是焊接形成閉合回路，連接長度為3?10cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，其特征在于所述的閉合線圈可以繞成雙餅、單餅、多個雙餅或者螺線管的形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，其特征在于所述的閉合線圈繞成多圈，線圈的用線長度為1.5-5m，所述的閉合線圈在制作時使用環(huán)氧樹脂進行固化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，其特征在于所述的閉合線圈可以使用易吸附液氮保溫材料進行包覆，可以是用紡織品包覆，所述的保溫材料可以是棉布、麻布、毛線、化纖材料或聚乙烯材料，所述的保溫材料可吸附一定量的液氮使得線圈在脫離液氮環(huán)境的一定時間內(nèi)維持超導態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，其特征在于所述的磁導軌是由永磁體和鍍鋅鐵板組成，所述的永磁體粘附在所述的鍍鋅鐵板上，所述的永磁體排列方式可以是單磁極排列或雙磁極排列。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的教學儀器，其特征在于所述的鍍鋅鐵板的長度為4O -120cm、厚度為0.2-0.5cm、寬度為3_4cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的教學儀器，其特征在于所述永磁體可以是合金永磁材料或者鐵氧體永磁材料，優(yōu)選釹鐵硼磁體；永磁體可以是方形或長方形，永磁體的長度為l_5cm、寬度為l_3cm、厚度為l_3cm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，其特征在于所述的保溫容器由較好的絕熱材料制成的，絕熱材料可以是泡沫或海綿，所述的保溫容器也可以是真空隔熱容器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，在演示場冷下的磁懸浮時，需要隔離片將超導環(huán)和磁導軌隔離，所述的隔離片采用非磁性、具有隔熱性能的材料，可以是環(huán)氧樹脂板或樹脂板，厚度 0.5mm-5mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學儀器，當所述的超導環(huán)處于磁懸浮狀態(tài)時，可以在所述的超導環(huán)上疊加砝碼以測試磁懸浮力的大小。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的教學儀器，所述的砝碼是用鋁合金、銅或不銹鋼合金制作，直徑為10-60mm,厚度為3_7mm。
【文檔編號】G09B23/18GK103440801SQ201310344204
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】張強 申請人:北京英納超導技術(shù)有限公司