[实用新型]基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪

说明书

本实用新型公开了基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪，包括U形磁体、顶部敞口的矩形盒子和底座，所述底座的上表面中心处开设有与U形磁体底部形状匹配的U形槽，所述U形磁体的底部坐落于U形槽，U形磁体开口向上固定，矩形盒子的内部表面贴有高温超导带材，矩形盒子内盛放有液氮，高温超导带材在液氮温度以下表现为超导态，矩形盒子位于U形磁体的两磁极端口中间。本实用新型直观地呈现超导磁悬浮现象，超导磁锁定现象，以及超导磁悬浮往复运动，即超导磁悬浮摆，具有体积小的优点，携带方便，便于课堂演示，且效果明显。

技术领域

本实用新型涉及基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪，具体涉及到超导态下高温超导带材在稳恒磁场中所受到的磁悬浮力与重力的平衡，以及超导带材磁锁定与钉扎力的关系，属于高温超导带材磁悬浮技术领域。

背景技术

超导磁悬浮技术基于超导体的两个基本属性，即超导态下，超导体表现为零电阻(ρ＝0)和完全抗磁性(χ＝-1，即迈斯纳效应)。其中，迈斯纳效应是由德国物理学家W.Meissner和R.Ochsebfekd在1933年对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现的。超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对超导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把体内的全部磁通量排出体外。零电阻可以保证超导体表面的屏蔽电流永不衰减，对于实用第二类超导体完全抗磁性既能排除超导体内的大部分磁通，表现为抗磁，同时又能锁定超导体内的部分磁通，实现磁锁定。两者相对独立又相互联系，单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。

对第二类超导体，在场冷情况下，超导体会先俘获一部分磁通。一维竖直方向情况下，超导体与磁体之间会有一个平衡间距，由于磁通钉扎效应，当超导体靠近磁体时，磁通钉扎阻止更多磁通进入超导体，从而产生排斥力；而当超导体远离磁体时，磁通钉扎阻止磁通流出超导体，从而产生吸引力。这两种力统称为悬浮力，形成了稳定的、自锁定的磁悬浮。一维悬浮力的公式：

F∝Jc·d·dH/dz，

dH/dz是永久磁铁在超导体附近形成的磁场梯度，悬浮力的大小与超导体表面的磁场梯度直接相关，其中J_c和d分别是超导体的临界电流密度和屏蔽电流环的特征长度。在竖直方向上移动的难易程度用悬浮刚度表示，即是在稳定点下降单位距离所需要的力。从前人的研究可知，零场冷却超导体所获得的悬浮力大于场冷却超导体所获得悬浮力，但在较低位置处场冷方式下的悬浮刚度比零场冷方式下的悬浮刚度要大。三维模型中，悬浮力的水平分量表现为侧向回复力，其作用是阻止超导体偏离中心。侧向回复力的大小直接决定着侧向的稳定性，回复力取决于俘获的磁通量。随着超导体与磁体距离的减小，俘获的磁通量增加，吸引力和排斥力都在增大，只是排斥力比吸引力增加的更快。

高温超导带材与超导块体相比，具有轻质量，尺寸可调的特点，超导磁悬浮与磁锁定现象更易实现，效果更加明显。

U形磁体的近两极内部磁场平行分布，是简单易得的匀强磁场,两端端头是一对N、S磁极,吸力最强。在两端口平行处，有梯度磁场分布。

目前用来演示超导磁悬浮的设备通常比较大，用于课堂演示携带不方便，且价格昂贵。本实用新型专利借助体积小，质量轻的高温超导薄膜以及U形磁体，具有体积小，携带方便的优点。另外，通常演示“摆动”物理现象需要借助弹簧的弹力或者绳子的拉力提供摆动的回复力，本实用新型专利，以超导磁悬浮力为“摆动”的回复力，既能直观的演示物理“摆动”现象，又能观察到神奇的超导磁悬浮及超导磁锁定现象，同时又能让学生感受领会，深入理解看不见摸不着磁场的物理“场”概念。

实用新型内容

为了解决上述存在的问题，本实用新型公开了一种基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪，其具体技术方案如下：