[发明专利]一种可演示超导磁悬浮现象以及测试磁悬浮力的实验仪器

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269℃(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。超导体具有许多特性，其中最主要的是零电阻现象和完全抗磁性现象(迈斯纳效应)。

超导体零电阻效应：目前，普遍使用的Bi-2223/Ag和YBCO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。

超导体的完全抗磁性：当把超导体置于外加磁场时，磁通不能穿透超导体，而使其体内的磁感应强度始终保持为零，超导体的这个特性又称为迈斯纳(Meissner)效应。

超导体的磁通钉扎效应：在某类超导体中，导体内部晶体缺陷与磁通线(由外磁场激发)之间的相互作用力能阻滞磁通线的自由运动，叫做对磁通线的钉扎力。晶体缺陷叫做钉扎中心。

完全抗磁性和零电阻效应是超导材料的两个主要特征。当超导体处于外磁场中时，由于抗磁性和磁通钉扎效应的作用，在超导体内部将感应出屏蔽电流，又由于零电阻效应所致，屏蔽电流几乎不随时间衰减。在超导体内持续流动的屏蔽电流产生的磁场与外磁场发生相互作用，从而产生超导磁悬浮现象。

现有可使用的SML-II超导磁悬浮力测量实验仪，该装置可验证超导体的完全抗磁性特性，显示超导体排斥磁通的能力，测量排斥力大小与距离的关系，该装置存在两个不足：

1)被测对象容易损坏

由于该装置使用的是超导块材，即YBaCuO块材，在测量中，需要使用肉眼观察超导块材和磁块之间的距离，因此容易发生超导块材和磁块之间挤压，造成被测对象损坏的缺点。

2)成本较高

该测量装置，需要精密调节被测对象与磁块的距离，同时利用传感器和数据采集器，因此成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实验效果明显，既可以直观的演示超导磁悬浮现象，又可以定量的测试磁悬浮力的实验仪器。

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，即迈斯纳效应。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。

本实验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，在进行超导磁悬浮演示实验时可以很明显的验证超导体的特性——迈斯纳效应。

超导磁悬浮现象是超导体在外磁场下冷却发生的。先放入磁块再冷却超导环，这种冷却方式称为场冷。在没有外磁场情况下冷却超导环，这种冷却方式称为零场冷。在两种不同的冷却方式下，超导环将表现不同的抗磁性。对于第二类超导体，强磁场可以穿透超导体并且被晶体的缺陷和晶界所俘获——即磁通钉扎效应。如果超导环在临近的外部磁场中被冷却至临界温度以下，超导体就会把磁块产生的磁通俘获在其内部。这样就会产生吸力和斥力来阻碍磁块和超导体之间相互位置的改变。即可以把磁块锁在超导体附近空间的某个位置效应。本装置就是利用超导体的钉扎效应而进行的超导环磁悬浮演示。

本发明的实验仪器是一种能示范超导特性的教学仪器，主要用于演示超导磁悬浮现象，主要包括超导环、磁导轨、保温容器、保温材料、隔离片、镊子和砝码组。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3～10cm。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，线圈的用线长度为1.5-5m。该闭合线圈在制作时使用环氧树脂进行固化。