基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪制造技术

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪
本技术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

技术介绍
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Jc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。本技术专利借助体积小，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，本技术专利，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。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本技术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：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。由于存在磁悬浮力，矩形盒子整体悬浮在U形磁体的两磁极端口的中间，可实现磁悬浮“摆动”的演示效果，摆脱了“摆动”的物理现象必须借助弹簧、绳子等直接接触介质的问题，并且体积小携带方便。所述U形磁体选用钕铁硼永磁体。所述高温超导带材由YBCO超导薄膜和条形基带构成，YBCO超导薄膜生长在条形基带的一侧表面，条形基带的另一面使用低温胶贴在矩形盒子的内壁。所述矩形盒子选用塑料矩形盒子。所述底座选用塑料底座。本技术的有益效果是：本技术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。附图说明图1是本技术的结构示意图，图2是本技术矩形盒子的示意图，图3是U形磁体磁感线示意图，附图标记列表：1—矩形盒子，2—U形磁体，3—底座，4—高温超导带材。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本技术。应理解下述具体实施方式仅用于说明本技术而不用于限制本技术的范围。图1是本技术的结构示意图，图2是本技术矩形盒子的示意图，图3是U形磁体磁感线示意图，图中标记部件名称依次为：矩形盒子1，U形磁体2，底座3，高温超导带材4。结合附图可见，本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。由于存在磁悬浮力，矩形盒子整体悬浮在U形磁体的两磁极端口的中间，可实现磁悬浮“摆动”的演示效果，摆脱了“摆动”的物理现象必须借助弹簧、绳子等直接接触介质的问题，并且体积小携带方便。本技术，在U形磁体两极的端口中间，处于超导态的超导薄膜带材，借助悬浮力可使其稳定悬浮。此时在某个方向移动超导薄膜带材一定距离，由于磁场发生变化，松开超导薄膜带材，超导薄膜带材在移动的方向上做往复运动。振幅越大(即移动的距离越大)，可认为超导薄膜带材储存的“弹性势能”越多，空气的阻尼比较小，往复运动很明显，往复运动的频率也越快。所述U形磁体选用钕铁硼永磁体。钕铁硼作为稀土永磁材料的一种具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点。其因优异的磁性能而被称为“磁王”，能够产生很强磁场。所述高温超导带材由YBCO超导薄膜和条形基带构成，YBCO超导薄膜生长在条形基带的一侧表面。该高温超导带材具有很高的临界电流密度，根据悬浮力公式，可以提高悬浮力。为了使效果更显著，往复运动持续更久，条形基带的另一面使用低温胶贴在塑料矩形盒子的内壁，如图3。塑料矩形盒子开口向上，可以用来盛液氮，使YBCO超导薄膜在较长时间内处于超导态。设计合理，悬浮力可以克服整个塑料盒子的重力。所述底座选用塑料底座。本技术的具体实施过程：把U形磁体放置在塑料底座上，开口向上。借助塑料镊子夹着内贴高温超导带材的塑料盒置于U形磁体两磁极端口中央，塑料盒子开口向上。向塑料盒子里倒入适量液氮(YBCO超导薄膜的超导转变温度高于液氮沸点，此时表现为超导态)，借助悬浮力可使其稳定悬浮。此时用塑料镊子上下或者左右移动塑料盒子，由于磁场发生变化，松开镊子，塑料盒子在上下或者左右方向会做往复运动。移动的距离越大，塑料盒子储存的“弹性势能”越多，由于空气的阻尼比较小，往复运动就越明显，往复运动的频率越快。本技术方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪，其特征在于包括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。

【技术特征摘要】
1.基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪，其特征在于包括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。2.根据权利要求1所述的基于高温超导带材的磁悬浮摆演示仪，其特征在于所述U形...

【专利技术属性】
技术研发人员：施智祥，李战峰，林发，
申请(专利权)人：东南大学，盐城科梦仪器有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32