超导材料钉扎效应的演示仪器及使用方法与流程

本发明涉及实验室设备技术领域，具体地，涉及一种超导材料钉扎效应的演示仪器及使用方法。

背景技术：

超导材料是一种具有在一定温度下电阻为零，且完全抗磁性的特点的特殊材料。超导材料中由于各种缺陷、杂质等对磁感应线具有类似钉子扎住一样的力的作用，这种力称为钉扎力，这种现象称为超导材料的钉扎效应。

在物理学的教学过程中，常常需要对物理现象进行演示说明。现有的演示超导材料的钉扎效应的演示仪器是利用超导材料的完全抗磁性制作而成的演示仪器，其仅仅演示了超导材料在强磁铁上的悬浮，并没有明显的对钉扎效应在宏观上的演示，使得做实验的人不能直观地感受到超导材料的钉扎效应。

技术实现要素：

为了改善现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种超导材料钉扎效应的演示仪器及使用方法，以解决现有技术中存在的现有的演示超导材料的钉扎效应的演示仪器是利用超导材料的完全抗磁性制作而成的演示仪器，其仅仅演示了超导材料在强磁铁上的悬浮，并没有明显的对钉扎效应在宏观上的演示，使得做实验的人不能直观地感受到超导材料的钉扎效应的技术问题。

在本发明的实施例中提供了一种超导材料钉扎效应的演示仪器，所述超导材料钉扎效应的演示仪器包括有超导线圈、强磁铁以及悬挂线；所述超导线圈包括有圆环型的支架和围绕设置在所述支架上的超导材料，所述超导线圈包括有内环和外环；所述悬挂线将所述超导线圈悬挂起来，使得所述超导线圈悬浮于空中；所述强磁铁的横截面积投影小于所述超导线圈的内环的横截面积投影，所述强磁铁位于所述超导线圈的内环内。

优选地，所述超导材料钉扎效应的演示仪器包括有液氮溶液，所述液氮溶液用于浸泡所述超导线圈。

优选地，所述超导材料钉扎效应的演示仪器包括有低温保存装置，所述低温保存装置用于保存所述液氮溶液。

优选地，所述超导材料钉扎效应的演示仪器还包括容器，所述容器包括有第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽设置于第二凹槽的内部；所述第一凹槽用于放置所述强磁铁；所述第二凹槽用于放置液氮溶液和所述超导线圈。

优选地，所述容器为圆柱型，所述第一凹槽为设置于所述容器中间的圆柱型凹槽；所述第二凹槽为圆环型凹槽，所述第二凹槽包括有内环和外环，所述第一凹槽位于所述第二凹槽的内环内部。

优选地，所述容器为泡沫材料制成。

优选地，所述超导材料钉扎效应的演示仪器包括有固定架，所述固定架的高度高于所述容器的高度，所述固定架用于固定所述悬挂线。

优选地，所述悬挂线的材质为丝绸。

优选地，所述悬挂线的数量为3个。

在本发明的实施例中还提供了上述的超导材料钉扎效应的演示仪器的使用方法，包括以下步骤：

s1.将超导线圈放入液氮溶液中浸泡至所述超导线圈处于超导状态；

s2.将所述超导线圈悬挂起来，使得强磁铁随着所述超导线圈悬浮起来；

s3.使用者用手向下拉所述强磁铁，感受钉扎力的作用。

本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器，所述超导材料钉扎效应的演示仪器包括有超导线圈、强磁铁以及悬挂线；所述超导线圈包括有圆环型的支架和围绕设置在所述支架上的超导材料，所述超导线圈包括有内环和外环；所述悬挂线将所述超导线圈悬挂起来，使得所述超导线圈悬浮于空中；所述强磁铁的横截面积投影小于所述超导线圈的内环的横截面积投影，所述强磁铁位于所述超导线圈的内环内。在使用本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器进行演示实验时，将强磁铁放置在超导线圈的内环内；使用悬挂线将处于超导状态的超导线圈悬挂起来，使得超导线圈的高度慢慢提高，此时可以观察到位于超导线圈内环内的强磁铁随着超导线圈悬浮起来，实验人员可以用手向下拉扯强磁铁，可以感受到很强的钉扎力的作用，以实现超导材料钉扎效应在宏观上的体现和感受。与现有的超导材料的钉扎效应的演示仪器相比，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器不仅仅演示了超导材料在强磁铁上的悬浮，并且使得实验人员能够直观地感受到钉扎效应的钉扎力的作用。

本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器的使用方法，首先将所述超导线圈放入液氮溶液中浸泡5分钟以上即可使得超导线圈处于超导状态；再将所述超导线圈悬挂起来，使得所述位于超导线圈内环内的强磁铁随着所述超导线圈悬浮起来；最后使用者用手向下拉所述强磁铁，感受钉扎力的作用。与现有的超导材料的钉扎效应的使用方法相比，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器的使用方法不仅仅演示了超导材料在强磁铁上的悬浮，并且使得实验人员能够直观地感受到钉扎效应的钉扎力的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器的第一种结构示意图；

图2为本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器的第二种结构示意图；

图3为本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器的容器的结构示意图；

图4为本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器的容器的剖视图。

图标：1－超导材料钉扎效应的演示仪器；10－超导线圈；20－强磁铁；30－悬挂线；40－容器；400－第一凹槽；410－第二凹槽；50－固定架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语如出现“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种超导材料钉扎效应的演示仪器1及使用方法，并给出其实施方式。

如图1所示，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1，超导材料钉扎效应的演示仪器1包括有超导线圈10、强磁铁20以及悬挂线30；超导线圈10包括有圆环型的支架和围绕设置在支架上的超导材料，超导线圈10包括有内环和外环；悬挂线30将超导线圈10悬挂起来，使得超导线圈10悬浮于空中；强磁铁20的横截面积投影小于超导线圈10的内环的横截面积投影，强磁铁20位于超导线圈10的内环内。在使用本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1进行演示实验时，将强磁铁20放置在超导线圈10的内环内；使用悬挂线30将处于超导状态的超导线圈10悬挂起来，使得超导线圈10的高度慢慢提高，此时可以观察到位于超导线圈10内环内的强磁铁20随着超导线圈10悬浮起来，实验人员可以用手向下拉扯强磁铁20，可以感受到很强的钉扎力的作用，以实现超导材料钉扎效应在宏观上的体现和感受。与现有的超导材料的钉扎效应的演示仪器相比，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1不仅仅演示了超导材料在强磁铁20上的悬浮，并且使得实验人员能够直观地感受到钉扎效应的钉扎力的作用。

超导线圈10可以氧化钇钡铜超导材料制成。以氧化钇钡铜超导材料是首个超导温度在77k以上的材料，也就是说它的超导转变温度高于液氮的沸点(77k)，用相对便宜的液氮就可以冷却；之前发现的超导体都必须用液氦(4.2k)或液氢冷却(20k)。因此，氧化钇钡铜超导材料更加适合实验操作。

超导材料钉扎效应的演示仪器1包括有液氮溶液，液氮溶液用于浸泡超导线圈10。超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。因此，在实验开始之前，实验人员可以将超导线圈10浸泡在液氮溶液中，以使得超导线圈10处于低温条件下，从而使得超导线圈10处于超导状态。

超导材料钉扎效应的演示仪器1包括有低温保存装置，低温保存装置用于保存液氮溶液。设置低温保存设备的目的在于，更好的保存液氮溶液，并且使得液氮溶液一直处于低温状态。具体地，低温保存装置可以为杜瓦瓶。杜瓦瓶是储藏液态气体，低温研究和晶体元件保护的一种较理想容器40和工具。

如图2－图4所示，超导材料钉扎效应的演示仪器1还包括容器40，容器40包括有第一凹槽400和第二凹槽410，第一凹槽400设置于第二凹槽410的内部；第一凹槽400用于放置强磁铁20；第二凹槽410用于放置液氮溶液和超导线圈10。使用本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1做实验时，首先将容器40放置在平整的桌面上，将强磁铁20放到容器40的第一凹槽400中，并置于桌面上；将超导线圈10放到容器40的第二凹槽410内，并置于最底部，将悬挂线30的一端固定在高处上，另一端固定在超导线圈10上，以便提拉超导线圈10；将液氮溶液倒入容器40的第二凹槽410内，并使得液氮溶液液面稍高于超导线圈10的顶部，等待5分钟；提拉悬挂线30，将超导线圈10从容器40中提出；此时实验人员可以观察到，强磁铁20随着超导线圈10悬浮起来，并且由于强磁铁20的大小小于述超导线圈10的内环的大小，可以明显的看到悬浮现象；最后实验人员可以用手向下拉扯强磁铁20，可以感受到很强的钉扎力作用，以此实现直观演示所述超导材料的钉扎效应的目的。

具体地，容器40可以为圆柱型，第一凹槽400为设置于容器40中间的圆柱型凹槽；第二凹槽410为圆环型凹槽，第二凹槽410包括有内环和外环，第一凹槽400位于第二凹槽410的内环内部。

还需要说明的是，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1的容器40可以是形状，但不仅仅局限于该形状，其还可以是其他能够满足第一凹槽400设置于第二凹槽410的内部的要求的任意形状的容器40，如正方体等。

容器40采用密度较大，且可以承受超低温溶液长期浸泡的材料制成。具体德，容器40可以为泡沫材料制成。泡沫材料是由大量气体微孔分散于固体塑料中而形成的一类高分子材料，具有质轻、隔热、吸音、减震等特性，且介电性能优于基体树脂，用途很广。容器40可以采用数控机床或者手动机床加工制成，加工工艺简单，减小了制作的成本。

超导材料钉扎效应的演示仪器1包括有固定架50，固定架50的高度高于容器40的高度，固定架50用于固定悬挂线30。固定架50设置于容器40的上方，用于固定悬挂线30，使得超导线圈10能够悬浮在空中。

悬挂线30的材质可以为丝绸。丝绸是一种纺织品，用蚕丝或合成纤维、人造纤维、短丝等织成；用蚕丝或人造丝纯织或交织而成的织品的总称。采用丝绸制作悬挂线30的目的在于，丝绸质地的悬挂线30不会对磁感应线产生影响，从而影响到实验的进行，影响实验人员观察超导材料的钉扎效应。

进一步地，悬挂线30的数量可以为3个。悬挂线30的一端固定在固定架50上，另一端绑在超导线圈10上，将超导线圈10悬挂起来。采用3个悬挂线30绑住超导线圈10，可以将超导线圈10稳定的悬挂在空中，使得其不会掉落。

本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1的使用方法，首先将超导线圈10放入液氮溶液中浸泡5分钟以上即可使得超导线圈10处于超导状态；再将超导线圈10悬挂起来，使得位于超导线圈10内环内的强磁铁20随着超导线圈10悬浮起来；最后使用者用手向下拉强磁铁20，感受钉扎力的作用。与现有的超导材料的钉扎效应的使用方法相比，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1的使用方法不仅仅演示了超导材料在强磁铁20上的悬浮，并且使得实验人员能够直观地感受到钉扎效应的钉扎力的作用。

综上所述，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1，超导材料钉扎效应的演示仪器1包括有超导线圈10、强磁铁20以及悬挂线30；超导线圈10包括有圆环型的支架和围绕设置在支架上的超导材料，超导线圈10包括有内环和外环；悬挂线30将超导线圈10悬挂起来，使得超导线圈10悬浮于空中；强磁铁20的横截面积投影小于超导线圈10的内环的横截面积投影，强磁铁20位于超导线圈10的内环内。在使用本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1进行演示实验时，将强磁铁20放置在超导线圈10的内环内；使用悬挂线30将处于超导状态的超导线圈10悬挂起来，使得超导线圈10的高度慢慢提高，此时可以观察到位于超导线圈10内环内的强磁铁20随着超导线圈10悬浮起来，实验人员可以用手向下拉扯强磁铁20，可以感受到很强的钉扎力的作用，以实现超导材料钉扎效应在宏观上的体现和感受。与现有的超导材料的钉扎效应的演示仪器相比，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1不仅仅演示了超导材料在强磁铁20上的悬浮，并且使得实验人员能够直观地感受到钉扎效应的钉扎力的作用。

本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1的使用方法，包括以下步骤：首先将泡沫制成的容器40放置在平整的桌面上，将强磁铁20放到容器40的第一凹槽400中，并置于桌面上；将超导线圈10放到容器40的第二凹槽410内，并置于最底部，将悬挂线30的一端固定在固定架50上，另一端固定在超导线圈10上，以便提拉超导线圈10；将液氮溶液倒入容器40的第二凹槽410内，并使得液氮溶液液面稍高于超导线圈10的顶部，等待5分钟以上；提拉悬挂线30，将超导线圈10从容器40中提出；此时实验人员可以观察到，强磁铁20随着超导线圈10悬浮起来，并且由于强磁铁20的大小小于述超导线圈10的内环的大小，可以明显的看到悬浮现象；最后实验人员可以用手向下拉扯强磁铁20，可以感受到很强的钉扎力作用，以此实现直观演示所述超导材料的钉扎效应的目的。与现有的超导材料的钉扎效应的使用方法相比，本发明提供的超导材料钉扎效应的演示仪器1的使用方法不仅仅演示了超导材料在强磁铁20上的悬浮，并且使得实验人员能够直观地感受到钉扎效应的钉扎力的作用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。