[发明专利]一种示范超导特性的教学仪器

说明书

技术领域

本发明涉及一种教学仪器，尤其涉及一种能演示楞次定律和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2690C(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。

超导体不仅具有优异的导电性，且还具有特殊的抗磁性。目前，普遍使用的Bi-2223/Ag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。

1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应现象-变化的磁场可以在导体回路中产生感生电流。1934年俄罗斯物理学家楞次提出感生电流的方向总是阻碍磁通量变化的规律，即楞次定律。多年来传统的高中物理实验课本中有一个验证楞次定律的演示实验，是通过单匝铝环磁通量变化进行演示的，由于单匝铝环的磁通量变化较弱，产生的感应电动势比较小，感应电流比较小，因此感应电流的磁场不强，原磁场与感应电流之间的磁场力较弱，因而实验效果不是很明显。

在非常低温环境下，超导体比相同截面积的铜导线传输能更多的电流。使用超导材料绕制的线圈产生更强的磁场可以产生磁悬浮。这种现象使得磁悬浮火车成为可能。由于悬浮中与空气之间的摩擦力很小，这样火车在运动中只需要很小的能量进行推动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实验效果明显，且既可以验证楞次定律，又可以演示超导磁悬浮的实验仪器。

本实验仪器是一种能示范超导特性的教学仪器，包括超导环、磁棒、磁块、杜瓦、不锈钢环、铝环、铜环、杜瓦和磁块垫。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1～15cm。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，也可以绕成单圈，线圈的用线长度为5-50m。该闭合线圈的在制作时的固化是使用环氧树脂或者是环氧树脂掺杂氧化铝粉末来固化定型。所述的杜瓦由较好的绝热材料制成的，可以是由铝合金或者不锈钢等非磁性材料中间抽真空而制成，也可以是由金属材料包裹绝热材料制成的。

在演示楞次定律验证实验时，主要是通过比较三种常见金属材料和超导线所构成闭合回路的磁通量发生变化时，产生的感生电流及感生电流磁场对原磁场阻碍作用力的大小及其方向来认识楞次定律和超导材料的零电阻性以及由此产生的不同于金属材料的奇异特性。本发明中是采用Bi-2333系列高温超导材料制成超导环，用金属棒和永磁体作为磁棒，将磁棒以相同的速度插入到不锈钢环、铝环、铜环和超导环中，磁棒在四种材料中产生不同大小的阻力，实验者可以感受到在不同的环的某一特定位置，磁棒所受到的阻力明显不同。在本教学仪器中的磁棒是由永磁体和金属棒组成，永磁体吸附在长度为10-20cm的铁磁材料制成的棒或杆的端部，永磁体可以是圆柱形、长方形或是圆环，永磁体的长度为1～5cm，永磁体可以是合金永磁材料或者是铁氧体永磁材料，优选钕铁硼磁体和铁氧体磁体。闭合线圈可以使用易吸附液氮的纺织品包覆，可以是棉布、麻布、毛线、丝绸或者化纤材料，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。

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，这个特性就叫迈斯纳效应。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。本发明的教学仪器，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，在验证楞次定律实验时可以很明显的验证超导体的特性迈斯纳效应。