超導(dǎo)磁懸浮小車的研究.doc

超導(dǎo)磁懸浮小車的研究 康彬沈悅應(yīng)佳莉陳永強(qiáng) （杭州師范大學(xué)，浙江杭州311121） 【摘要】本項目在實驗室里合成了高溫銅氧化物超導(dǎo)體YBCO，并以此為基礎(chǔ)，制備出在液氮下運行的超導(dǎo)磁懸浮小車模型。通過特殊排布的永磁體軌道約束，超導(dǎo)磁懸浮小車可以很好的在軌道上實現(xiàn)無接觸摩擦運行。最后，我們利用磁阻尼原理設(shè)計制備了一套動力系統(tǒng)，實現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮小車的自動啟動和制動。 關(guān)鍵詞超導(dǎo)；ybco；磁懸??；磁阻尼 引言 1911年荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)金屬汞在溫度降至4.2K附近時突然進(jìn)入一種新狀態(tài)，其電阻小到用當(dāng)時的實驗設(shè)備無法測量出來，他把汞的這一新狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)現(xiàn)象自從發(fā)現(xiàn)以來，尋找具有更高臨界溫度超導(dǎo)體、理解其超導(dǎo)微觀機(jī)理，一直是凝聚態(tài)物理研究的最重要方向之一。在過去的100多年中，已經(jīng)有10位科學(xué)家憑著在超導(dǎo)方面的工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎。 超導(dǎo)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，費米面附近的電子可以通過某種微觀相互作用，形成所謂的庫珀電子對，當(dāng)電子以電子對形式運動時，可以“抵抗”晶格等對電子的散射，呈現(xiàn)零電阻行為。另一方面，超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時，在表面會形成超導(dǎo)電流，從而維持體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的狀態(tài)，這就是通常所謂的“邁斯納”效應(yīng)。零電阻行為和邁斯納效應(yīng)是確認(rèn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的兩個基本性質(zhì)。超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)，為磁懸浮列車的發(fā)展指明了一個重要研究方向。 磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動系統(tǒng)組成的新型交通工具。1922年德國工程師赫爾曼?肯佩爾第一次提出了電磁懸浮原理。超導(dǎo)小車由于懸浮在永磁體軌道上，所以運行時幾乎沒有阻力，它的這一特性使其可能成為未來高速、低能耗的交通首選。目前，磁懸浮列車可分為超導(dǎo)型和常導(dǎo)型兩大類。從內(nèi)部技術(shù)而言，兩者在系統(tǒng)上存在著是利用磁斥力、還是利用磁吸力的區(qū)別；從外部表象而言，兩者存在著速度上的區(qū)別：超導(dǎo)型磁懸浮列車最高時速可達(dá)500公里以上（高速輪軌列車的最高時速一般為300350公里），在1000至1500公里的距離內(nèi)堪與航空競爭；而常導(dǎo)型磁懸浮列車時速為400500公里，它的中低速則比較適合于城市間的長距離快速運輸。 本研究通過制作超導(dǎo)磁懸浮列車模型，讓學(xué)生對超導(dǎo)磁懸浮有一個直觀的體驗。實驗用的超導(dǎo)材料是高溫銅氧化物超導(dǎo)體YBa2Cu3O7，它的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到90K左右，所以可以用液氮制冷來使其進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。在整個研究過程中，我們更進(jìn)一步實現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮車的自動運行和制動。 結(jié)果和討論 首先，將高純度（純度大于99.9%）的碳酸鋇（BaCO3）、氧化釔（Y2O3）和氧化銅（CuO）按摩爾比稱量好，然后放入球磨機(jī)研磨，研磨時間2小時?；旌虾煤?，將原料放入壓力200kBar、溫度880度的高壓爐里進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間為5小時?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為4BaCO3+Y2O3+6CuO2YBa2Cu3O7-x+4CO2+(6.5+x)O2。 樣品燒好后我們敲下一小塊，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和物性的測試。其中樣品結(jié)構(gòu)通過x射線衍射方法確認(rèn)；電阻采用四沿線法，在Quantum-Design公司的PPMS上測量；磁化率在Quantum-design公司的SQUID-VSM上測量。 x射線衍射結(jié)果畫在圖1a上，從圖上可以看出，幾乎所有的衍射峰都屬于YBa2Cu3O7，除此之外，只有一點微小的雜質(zhì)峰，這個結(jié)果說明我們制備的釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)體相非常干凈。對于其物性測量結(jié)果，電阻-溫度曲線（圖1b）和磁化率-溫度曲線（圖1c）在92K附近都有一個相變，對應(yīng)于超導(dǎo)體的零電阻轉(zhuǎn)變和抗磁效應(yīng)，說明其超導(dǎo)溫度高達(dá)92K。為了更好地分析YBa2Cu3O7的超導(dǎo)電性，我們對其超導(dǎo)屏蔽體積進(jìn)行了計算，從圖上可以看出，有場冷卻下其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)百分比達(dá)到100%，從而說明我們的超導(dǎo)樣品具有很好的抗磁特性，這為我們后面的超導(dǎo)磁懸浮打好了基礎(chǔ)。 接下來，我們對超導(dǎo)樣品進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮實驗。將YBa2Cu3O7樣品放入液氮進(jìn)行冷卻，5分鐘后將它用鑷子迅速夾出，放置在永磁體上，可以看出，其懸浮高度非常高，有3cm左右（如圖2左所示），這跟我們前面的磁化率測量結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上，我們用低溫膠將其固定在我們的超導(dǎo)車底部中央，如圖2右所示。為了達(dá)到較好的磁懸浮，我們的超導(dǎo)車采用鋁箔制成，并在周圍包上一層錫箔，防止后面液氮的泄露。 為了提供更好的磁懸浮現(xiàn)象，我們采用釹鐵硼永磁體來排布我們的超導(dǎo)磁懸浮軌道。釹鐵硼永磁體是我們目前已知的具有最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的永磁體，在附近可以提供0.5T的永久磁場。永磁體選擇扁平的外形，一個正面為北極，一個正面為南極。為了將超導(dǎo)體約束在永磁體軌道上，我們的軌道由三排永磁體排列而成，其中外面兩排朝上的正面為北極，中間一排朝上的正面為南極。最后超導(dǎo)小車在永磁體軌道上運行的示意圖如圖3所示。 為了控制超導(dǎo)小車的運行，我們設(shè)計了一種磁阻尼制動裝置。其基本原理如圖4所示，當(dāng)永磁體相對于金屬有一個運動時，在金屬表面會感應(yīng)出感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與磁力線的切割運動會導(dǎo)致產(chǎn)生一個阻力，阻礙磁鐵和金屬的相對運動。一個基本的實例就是一塊磁鐵穿過銅管時，速度會大大降低。我們的超導(dǎo)小車就可以看成是一個金屬，再提（下轉(zhuǎn)第52頁）（上接第11頁）供一個旋轉(zhuǎn)的磁鐵時，就可以導(dǎo)致其產(chǎn)生磁阻尼。其中，當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)方向和小車運動方向一致時，就可以給小車提供一個動力；而當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)方向和小車運動方向相反時，就會感受到一個阻力。 總結(jié) 在本項研究中，我們合成了高質(zhì)量的YBa2Cu3O7樣品，其超導(dǎo)磁懸浮得到了驗證。以此為基礎(chǔ)，我們制備了磁懸浮小車模型，通過在釹鐵硼永磁體鋪成的軌道上運行，驗證了超導(dǎo)磁懸浮的現(xiàn)象。最后，我們還制備了簡單的磁阻尼動力裝置，實現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮小車的自動啟動和制動。我們超導(dǎo)磁懸浮小車的研制成功，說明這個工作可以成為未來高等教育方面一個可以開設(shè)的課程，培養(yǎng)本科生的科研動手能力，并切實體驗和認(rèn)識超導(dǎo)磁懸浮這一有趣的物理現(xiàn)象。 參考文獻(xiàn) 羅會仟.神奇的超導(dǎo)J.北京：中國科學(xué)院高能物理研究所，xx(02)：1-3. 2謝曉.氣墊導(dǎo)軌上的磁阻尼效應(yīng)實驗J.吉林：東北師范大學(xué)，xx(11)：3-4. 3羅家運.超導(dǎo)百年發(fā)展歷史回顧與展望J.北京：中國科技新聞學(xué)會，xx：1-2. 4朱思華.YBCO超