北大普通物理綜合實驗課件6磁懸浮力的測量

1、磁懸浮力的測量綜合物理實驗報告報告內(nèi)容簡介實驗選題實驗原理實驗裝置實驗步驟實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析致謝實驗選題背景介紹： 磁懸浮列車的興起 磁懸浮列車原理懸浮力來源轉(zhuǎn)向力來源推進力來源高溫超導體在磁懸浮列車上應用傳統(tǒng)使用電磁線圈高溫超導體的優(yōu)越性 1.電流大，磁力強 2.磁體能耗小 3.磁場衰減慢超導磁體（Superconducting magnet）某些超導轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫度（77K）以上的超導材料，當它們在磁場中冷卻到超導轉(zhuǎn)變溫度以下時，磁場的撤去會使超導材料俘獲（Trap）穩(wěn)定的較強的磁場，從而成為超導磁體。這樣得到的超導磁體具有磁場強，場強穩(wěn)定的特點，獲得了廣泛的應用。超導磁懸浮列車的懸浮力正

2、是超導永久磁體和普通永久磁體（Permanent magnet）之間的作用力提供的。我們實驗中將普遍采用YBCO .磁通動力學模型YBCO屬于非理想的第二類超導體，它的磁化曲線是不可逆的，混合態(tài)的磁通格子分布是非均勻的，這種非均勻磁通格子受到來自晶體缺陷的“釘扎”作用。最早的，Anderson和Kim提出了一個模型，以及磁通蠕動的概念。模型首先引進了單位體積內(nèi)元釘扎力, 釘扎力密度起作用的部分構(gòu)成有效釘扎勢 Up 。 磁通動力學模型但隨后的研究卻發(fā)現(xiàn), Anderson-Kim 模型并不能完全解釋高溫超導體的磁弛豫現(xiàn)象, 特別是對數(shù)弛豫只是在某些情況下的近似，同時弛豫率與溫度的依賴關(guān)系與And

3、erson-Kim模型也有明顯的不同。這些結(jié)果導致了一些新的唯象的模型的發(fā)展。 磁通動力學模型不同的模型有著不同的U(J)方程，Maley曾提出一種建立在磁通蠕動測量基礎(chǔ)上從而確定U(J)方程的方法，得到了和Zeldov相同的對數(shù)結(jié)果，通過研究磁懸浮力的數(shù)據(jù)，我們試圖驗證磁通模型。實驗原理磁懸浮力的產(chǎn)生 超導電流在磁場下受Lorentz力由Zeldov模型理論計算不同充磁強度下的磁懸浮力 正弦運動測量流程圖實驗裝置Source Meter壓力傳感器數(shù)字磁強計YBCO樣品塊永久磁體裝置臺傳動裝置驅(qū)動裝置Data Acquisition System實際裝置圖Source Meter Keithl

4、ey Instruments 2400 Introduction: Source Voltage: from 5uV to 210V Resolution Limiting: 5uV Maximum Source Power: 22W壓力傳感器BK-2S型測力/稱重傳感器 工作原理：根據(jù)電阻應變原理把力矩產(chǎn)生的應變轉(zhuǎn)換成與其線性關(guān)系的電信號。 壓力傳感器主要技術(shù)指標:壓力傳感器的載荷與指示儀器示值載荷 kg指示儀器示值 uV壓力進程平均同程平均理論值0000539984001399610799379987992151199111995119882015988159921598525199851

5、99881998130239772397823977數(shù)字磁強計規(guī)格： LX-H-2型數(shù)字磁強計使用2T擋零點校準： 2894 YBCO樣品圓柱體底面直徑： 30.68mm高： 19.86mm永久磁體永久磁體的材料為釹鐵硼NdFeB 中科院三環(huán)公司生產(chǎn)圓柱體,表面磁感強度0.5T底面直徑： 30.00mm高： 15，20，25，30mm 裝置臺與壓力傳感器固連在一起的底座盛放液氮的外部容器固定YBCO樣品塊的樣品座有機玻璃管裝置臺傳動裝置 如右圖所示，當圓盤以一定的角速度勻速轉(zhuǎn)動時，若滿足條件Lr,則物塊以相同的圓頻率在豎直方向上作正弦運動驅(qū)動裝置驅(qū)動方法有兩種 步進電機驅(qū)動 手動，由多級齒輪傳

6、動電機控制步進電機原理將電的脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移的機電元件按照順序向各相發(fā)脈沖驅(qū)動電機控制裝置由步進電機，驅(qū)動電源，并行控制卡，驅(qū)動程序組成電機控制裝置8255控制電路電機控制裝置8255驅(qū)動電源驅(qū)動程序基于8255 A口方式1控制輸出地址：1B0H1B3HC口確定LS245方向手動轉(zhuǎn)輪控制由繞線機改裝而成Data Acquisition SystemKeithley Instruments 2700 Introduction: Measurement Voltage: from 0.1uV to 1000V Resolution Limiting: 0.1uVIEEE-488 GPIB

7、PCI-488ComputerLabview System虛擬儀器概述Labview 簡介Labview（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。 Labview是圖形化的程序語言，又稱為“”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。所有的Labview應用程序，即虛擬儀器（VI），都包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標/連結(jié)器(icon/

8、connector)三部分。 實驗步驟放置好實驗裝置，預設磁體作用的距離和正弦運動的振幅和頻率。 在裝置盒中引入液氮，使其液面在樣品面上方（對于零場直接超導；場冷需要把充磁的樣品及其盛放的盒子一同倒入，可預先少放液氮在裝置盒內(nèi)）。實驗步驟超導充磁 1. 零場冷卻，使樣品在無磁場的環(huán)境下達到轉(zhuǎn)變溫度以下，此時樣品內(nèi)部無磁通。 2. 場冷，使樣品在有磁場的環(huán)境下達到轉(zhuǎn)變溫度以下，此時樣品內(nèi)部有俘獲場。實驗步驟SourceMeter輸出恒壓12V，建立壓力傳感器數(shù)據(jù)連接。運行Labview程序，獲得液氮揮發(fā)曲線作為數(shù)據(jù)修正使用。正式測量，獲取34個周期的數(shù)據(jù)。處理數(shù)據(jù)（Orgin6.1）實驗數(shù)據(jù)永磁

9、體之間的作用超導體與永磁體之間的作用永磁體準靜態(tài)接近F-z 15mm 20mm 永磁體準靜態(tài)接近F-z 30mm 20mm SCM Zero Field-coolingF-t 未修正 30mm PMT=60sZ from 5cm15cmTotal time 2 minutesSCM Zero Field-coolingSCM Zero Field-cooling為了修正液氮揮發(fā)測量了無其他作用時的F-tSCM Zero Field-coolingSCM Zero Field-coolingLinear Regression for Data:Y = A + B * XParameterValu

10、e Error-A -0.46735 3.89058E-4B-7.18687E-4 5.60856E-6-R SD NP-0.982270.004766000.0001-SCM Zero Field-coolingF-t 修正后SCM Zero Field-coolingF-z 修正后SCM Zero Field-coolingF-t 未修正 15mm PMT=60sZ from 3cm13cmTotal time 5 minutesSCM Zero Field-coolingSCM Zero Field-coolingF-t 修正后SCM Zero Field-coolingF-z 修正后S

11、CM Field-coolingF-t 未修正 30mm PMT=60sZ from 7cm17cmTotal time 4 minutes充磁磁場磁感應強度 B=0.1868TSCM Field-coolingSCM Field-coolingF-t 修正后SCM Field-coolingF-z 修正后SCM Field-coolingF-t 未修正 30mm PMT=60sZ from 5cm15cmTotal time 200 secondsSCM Field-coolingSCM Field-coolingF-t 修正后SCM Field-coolingF-z 修正后結(jié)果分析永磁體之

12、間的作用力F 僅是距離z的函數(shù)，大小可用橢圓積分表示，我們的數(shù)據(jù)可擬合為 結(jié)果分析超導樣品與永磁體之間的懸浮力作用F并不僅是距離z的函數(shù)，它還與運動形式有關(guān)，這源于第二類超導體內(nèi)的磁通運動，因而F-z的曲線不是單值的。結(jié)果分析鑒于我們實驗中的充磁強度不夠（永磁體充磁），F(xiàn)-z并沒有很好的看出類似滯回的樣子，待到有更大的剩余磁場時，結(jié)果應更好。結(jié)果分析ZFC 與FC在磁懸浮力的測量中的區(qū)別在于FC具有剩余磁場，因而有較大的Lorentz力，體現(xiàn)在實驗中FC的磁懸浮平衡位置較高，定性的，在相同條件下（同永磁體，同高度），F(xiàn)C的磁懸浮力大，這與理論計算吻合。實驗總結(jié)我們本期所做的工作主要有：閱讀文獻，