专利名称：一种示范超导特性的教学仪器的制作方法
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°C时的电阻率相差I. 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I 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I 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。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-被称为钉扎中心。如果超导体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，好像是用钉子把磁块扎在那里，因此称为钉扎效应。本教学仪器就是利用超导体的钉扎效应而进行的超导磁悬浮演示。在演示超导磁悬浮实验时，本发明采用高温超导环和磁块来完成磁悬浮实验，其效果和使用普通的固体超导块所做的传统超导磁悬浮实验效果显著不同，以一种更易于揭示超导磁悬浮原理的方式来演示高温超导材料的特性。本教学仪器中的磁块是永磁体，永磁体可以是圆柱形、长方形或是圆环，永磁体的长度为I 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。本发明具有以下优点本发明中使用的超导环是使用Bi-2223/Ag系列的高温超导材料绕制的。该材料导线在超导态下的电阻率与铜导线在温度为20°C时的电阻率相差I. 75万倍。由于采用多匝绕制，这样大大增强了感应电流及其所产生的感应磁场，从而增强了感应磁场和原磁场之间的相互作用力，因此实验效果非常显著。此外用截面积远远大于超导环截面积的不锈钢环、铝环和铜环作为对比，电阻率不同，感应电流大小不同，其所产生的感应磁场大小也不同，产生的对原磁场的阻力不同，效果对比强烈，这非常有助于认识和理解楞次定律。另夕卜，超导材料的零电阻特性造成了外部磁场在超导环与金属环中运动时，所受力方向不完全相同的奇特现象，因此本发明将有助于认识超导材料零电阻的奇异特性。本发明所使用的超导环外部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。在液氮中充分冷却后的超导环，在使之离开液氮后，仍然可以使磁块悬浮I 2分钟甚至更长的时间，因而可以在悬浮过程中移动演示，大大增加了演示实验的观赏性、趣味性和便捷性。本发明的实验仪器结构简单，操作简便。
图I为本教学仪器装置的示意图，其中
不锈钢环I，铝环2，铜环3，杜瓦4，超导环5，磁块6，磁棒具体实施例方式实施例I将杜瓦平放在桌面上，把超导环放在杜瓦4中，不锈钢环1，铝环2，铜环3，分别置于桌面上，使磁棒7远离超导环5。向杜瓦4中加入适量的液氮，为保证安全，尽量避免液氮溅洒。在液氮冷却超导环和杜瓦的过程中，会因大量吸热而发生剧烈沸腾现象。当沸腾基本停止下来，超导环降到液氮相同的温度(零下196°C)，即进入超导态。此时准备工作就绪，可以开始进行实验。依次将磁棒7以相同的速度插入到不锈钢环I、铝环2以及铜环3中，操作者可以感受到在不同的环的某一特定位置，磁棒7所受到的阻力明显不同，磁棒7插入到超导环5过程中，实验者可以体会与插入金属环中受力的情况及其变化有何不同。磁棒在超导环运动中受力情况与磁棒在导体环中情况有很大的不同。其工作原理分析如下设由磁体运动使导体环中产生的感应电动势为E。根据法拉第电磁感应定律有
d+E = —
dx闭合导体中电流变化导致的自感电动势ELE5 =
at设导体中电流I、电阻R。则根据基尔霍夫定律，在闭合导体回路中有
d『 d#E+E^ - IR = -L-T1- JV-- IR = 0
- dt d￡在不锈钢环、招环、铜环中，一般有
Al|1—| I/RI
Qt因此约有
r nN d^i
_2]丨/|=这表明，磁体在常规导体环中运动时，所受到的阻力与运动速度、位置以及导体的电阻有关。实验中可以发现，当磁体在不锈钢环中运动时几乎不受到阻力，在铝环中运动时受到比较小的阻力，在铜环中运动时则受到比较大的阻力。实验中可以发现，磁体在超导环中运动时的受力情况与之前在常规导体中完全不同。磁体总是受到的排斥力。这是由于对于超导环，约有R = O。故有
权利要求
1.一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，其特征在于超导环是用高温超导闭合线圈制成的。
2.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈是由高温超导线材绕制成的，所述的超导线材是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。
3.根据权利要求I或2所述的教学仪器，其特征在于所述的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I 15cm。
4.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈可以绕成双饼、单饼、多个双饼或者螺线管的形式。
5.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于所述的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。
6.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于所述的闭合线圈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。
7.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于所述的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。
8.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于所述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I 5cm。
9.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于所述的磁块是永磁体，永磁体可以是圆柱形、长方形或是圆环，永磁体的长度为I 5cm。
10.根据权利要求8或9所述的教学仪器，其特征在于所述的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。
11.根据权利要求I所述的教学仪器，其特征在于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。
全文摘要
本发明涉及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，超导环是用高温超导闭合线圈制成的。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。本发明的教学仪器还可以用高温超导环和磁块来完成磁悬浮实验的演示。
文档编号G09B23/18GK102723025SQ20121013523
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者张强, 童超 申请人:北京英纳超导技术有限公司