超導楞次定律實驗裝置

張 強，黃凱特

（北京英納超導技術有限公司，北京 100176）

超導楞次定律實驗裝置

張 強，黃凱特

（北京英納超導技術有限公司，北京 100176）

超導楞次定律實驗裝置由磁塊、3個金屬環(huán)（銅、鋁和不銹鋼）和1個超導環(huán)以及導向管組成.除了傳統(tǒng)楞次定律實驗裝置的展示內(nèi)容，該裝置還可以展示磁塊在超導環(huán)上的懸浮現(xiàn)象，磁塊在穿過金屬環(huán)和超導環(huán)時的受力情況不同.

超導；楞次定律；感應電流；零電阻

1 傳統(tǒng)的楞次定律實驗裝置

傳統(tǒng)的楞次定律實驗裝置是由磁塊和3種金屬材料管組成.具體操作是讓磁塊在鋁、銅和不銹鋼管中自由下落.通過觀察磁塊下落速度快慢不同，來展示和認識楞次定律，如圖1所示.

圖1 傳統(tǒng)的楞次定律實驗裝置

當磁塊以相同高度自由下落時，初始磁通量的變化相同，根據(jù)法拉第電磁感應定律

在閉合環(huán)路中產(chǎn)生的感生電動勢相同.由于3種金屬管的電阻率不同［鐵（不銹鋼可以參考鐵）9.78×10－8Ω/m、鋁2.83×10－8Ω/m，銅1.75× 10－8Ω/m［1］］，3個金屬管（橫截面相同條件下）的電阻大小也不同.因此在3種金屬管中產(chǎn)生的感生電流大小也不相同，銅的最大，鋁的其次，而不銹鋼最小.感生電流的磁場也是不同的.感生電流磁場對磁塊的作用力銅管最大，不銹鋼管最小.因此出現(xiàn)了磁塊在銅管、鋁管和不銹鋼管中下落的速度不同，銅管中下落速度最慢.

2 超導楞次定律實驗裝置

設想如果有電阻率比銅還要小1個數(shù)量級以上的材料，那么磁塊在這種材料制成的管中下落，其速度將會越來越慢，最終速度降到零，靜止在某一位置.進入20世紀后，這種材料已經(jīng)從設想變?yōu)楝F(xiàn)實，并且已經(jīng)從實驗室走向市場，它就是高溫超導材料.鉍鍶鈣銅氧超導導線已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)應用，用鉍鍶鈣銅氧超導導線制作的超導環(huán)，可以實現(xiàn)上述設想的實驗.

2.1 磁塊自由下落實驗

超導楞次定律實驗裝置主要由3個金屬環(huán)（銅、鋁和不銹鋼）和1個超導環(huán)組成.該裝置最重要的部件，是使用超導線材制作成的閉合回路——超導環(huán).

把超導環(huán)放在容器中，并和3個金屬環(huán)都平放在桌面上.向超導環(huán)容器中加入液氮，待超導環(huán)進入超導態(tài)后（以下實驗敘述中，超導環(huán)都是處于超導態(tài)），開始實驗.

鉍鍶鈣銅氧超導材料的臨界溫度是110 K［2］，液氮的溫度是77 K，在液氮溫區(qū)該超導體進入超導態(tài).

讓磁塊依次在3個金屬環(huán)中自由下落，觀察到磁塊下落速度不同，在不銹鋼環(huán)中，磁塊接近完全自由下落，在鋁環(huán)中下落速度緩慢，而在銅環(huán)中下落速度最慢.這與圖1的實驗裝置相似，只是用金屬環(huán)代替了金屬管.

當讓磁塊在超導環(huán)中自由下落時，如圖2所示.當磁塊下落到接近超導環(huán)的一定高度后，磁塊靜止在這一高度上，如圖3所示.

圖2 磁塊在超導環(huán)中下落實驗

圖3 磁塊靜止在某一高度

2.2 導向管的作用

用透明的有機玻璃管作為導向管，不僅便于觀察，更重要的作用是約束磁塊的運動.由于超導環(huán)不是理想的圓環(huán)，在磁塊自由下落過程中，在其中產(chǎn)生的感生電流的磁場也不完全幾何對稱，即沿著圓環(huán)軸向不完全對稱分布.即使超導環(huán)完全對稱，操作者在釋放磁塊時，也不可能保證磁塊完全沿超導環(huán)的幾何軸線下落.因此，如果沒有導向管的約束，圓柱形磁塊受到不均勻的磁場作用后，將會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這樣將達不到實驗目的.

2.3 磁塊在超導環(huán)上懸浮分析

超導楞次定律實驗裝置展示了磁塊在超導環(huán)中自由下落過程中受到越來越強的阻礙作用，開始階段，重力大于阻力，磁塊做變加速下降運動.當阻力等于磁塊的重力，勻速下降，直到阻力大于重力后，磁塊減速下降.最終磁塊靜止在某一高度處，在這一高度處，感生電流磁場對磁塊的作用力與磁塊自身重力相平衡.

磁塊在超導環(huán)中自由下落所呈現(xiàn)出靜止在一定高度的現(xiàn)象，反映了處于超導態(tài)的超導體其電阻為零的特性.按照楞次定律，磁塊在磁場中下落時，將在超導環(huán)中產(chǎn)生感應電流.由于超導環(huán)電阻為零，因此所產(chǎn)生的感生電流不會消耗，總是存在.最終使得磁塊靜止在某一高度處.另外，磁塊在下落的過程中在超導環(huán)中所激發(fā)的感生電流的磁場十分強大.根據(jù)測量，超導環(huán)軸線上感生電流磁場的瞬間峰值可以達到幾十m T.

對于銅、鋁這些常規(guī)金屬導體，當磁塊在這些導體管中下落時，按照楞次定律，也將在這些金屬環(huán)中產(chǎn)生感生電流.但由于金屬具有電阻，所產(chǎn)生的感生電流不斷地通過轉(zhuǎn)變成焦耳熱消耗掉了.通過這個實驗，比較磁塊在金屬環(huán)和超導環(huán)中下落的現(xiàn)象，可以讓人們認識到超導材料的零電阻特性.

2.4 磁棒插入金屬環(huán)實驗

超導楞次定律實驗裝置的第2種操作是磁棒插入操作.具體操作：先把磁塊吸附在鐵棒上構成磁棒，然后把磁棒依次插入3種金屬環(huán)和超導環(huán)中.操作者感受到在不銹鋼環(huán)中基本不受力，在鋁環(huán)和銅環(huán)中受到阻力，而在銅環(huán)中阻力最大.在插入過程中，無論是在金屬環(huán)的上部，還是穿過中線進入下部，磁棒的受力情況總是相同的，都是受到阻力.在中學物理教學中，教師通常把這種現(xiàn)象簡單稱為“來阻去留”，也就是感生電流磁場對原磁場磁通量變化的阻礙作用通過磁棒的受力情況這一直觀力學效果展示出來.

2.5 磁棒插入超導環(huán)實驗

當把磁棒插入超導環(huán)中，在超導環(huán)上部，操作者會感受到很大的阻力.其理由前面已經(jīng)論述.最令操作者驚奇的是當磁棒越過超導環(huán)中線，進入到超導環(huán)下部時，磁棒不是受到強大的阻力而是受到了強大的向下推力.很多物理教師在嘗試這一操作時，既感到驚奇，更感到不可理解.按照傳統(tǒng)楞次定律的表述，感生電流的磁場總是阻礙原磁場的變化.在常規(guī)金屬導體閉合回路中，無論插入還是穿出磁棒都受阻力，與楞次定律的表述完全符合.磁棒插入超導環(huán)時受到強大阻力，符合楞次定律的表述.而在穿出超導環(huán)時，卻受到很大的推力，與傳統(tǒng)的楞次定律表述不相符合.在超導環(huán)境下，楞次定律還是適用的.之所以會出現(xiàn)出乎意料的情況，是由于我們“習慣性”地把磁棒的受力情況視為楞次定律.這種分析方法對于金屬環(huán)是適用的，而且可以方便直觀地理解楞次定律.但這種分析方法有其局限性，在超導環(huán)的情況下則不適用.在磁棒插入超導環(huán)的過程中，超導環(huán)中的感應電流逐漸增大.感應電流的磁場對磁棒的斥力也逐漸增大.但由于超導環(huán)電阻為零，因此所產(chǎn)生的感生電流不會消耗，總是存在.當磁棒穿過超導環(huán)后，根據(jù)楞次定律，這時也將在超導環(huán)中感生電流.而且新的感生電流的方向與原來的感生電流的方向相反，也比原來的感生電流小.因此，超導環(huán)中總的感生電流的方向與原來的感生電流的方向相同，但感生電流的大小有所減小.如果沒有原來的感生電流的存在（即對應金屬環(huán)的情況），新的感生電流將對磁棒產(chǎn)生吸引作用，即會感受到阻力.但正是由于在超導環(huán)中原來的感生電流的存在，而且總的感生電流的方向與新的感生電流的方向相反，從而使得總的感生電流將對磁棒產(chǎn)生排斥作用，即會感覺到推力.

3 結束語

使用超導楞次定律實驗裝置可以不受磁棒受力情況的表象的迷惑而更好地理解楞次定律的本質(zhì)，這將有助于更深入地體會和理解楞次定律.之前也有一些與超導環(huán)中的楞次定律有關的習題的探討，對這一過程的物理現(xiàn)象等進行了理論上的分析和研究［3-4］.而這套實驗裝置則能更好地理論聯(lián)系實際，直接研究這一實驗過程.除此之外該實驗裝置還可以演示超導磁懸浮和釘扎效應.該實驗裝置提供了一款雙超導環(huán)類型.它既提供了裸超導環(huán)，還提供了由保溫材料包覆的超導環(huán).裸超導環(huán)讓學生可以直接看到超導材料，使得學生對超導既有理性認識，又有感性認識.唯一缺憾的是這套裝置不還能定量測量.如果今后進行改進，對磁塊在超導環(huán)中自由下落中所受到的阻力以及穿過超導環(huán)所受到推力能夠進行測量就更加完美.

［1］ 常用金屬的電阻率［EB/OL］.http：//wenku.baidu.com/link？url＝VAl6x XxGgO2tvSYIPc M3 p4uPYz TIXu4UC＿9ff7y VJ4iQCdxn V0zdaxpIF3z Ys-w69vog Nb VTKa9mv TWpCwGeAAxOKv AUM Kb-u3m8g EJcw Z7.

［2］ 章立源.超越自由神奇的超導體［M］.北京：科學出版社，2005：171.

［3］ 劉大華.對物理教科書中一道習題的拓展討論［J］.教學月刊：中學版（教學參考），2008（3）：30-32.

［4］ 趙凱華.磁單極子與超導線圈問題的困惑［J］.物理教學，2009，31（7）：2-4.

［責任編輯：任德香］

Superconducting device for Lenz law experiment

ZHANG Qiang，HUANG Kai-te
（
Innova Superconductor Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

The superconducting device for Lenz law experiment consisted of a magnetic block，three metal rings（copper，aluminum and stainless steel），a superconducting ring and a guiding tube.In addition to the conventional experimental content，this device could also demonstrate the levitation phenomenon of magnetic block over superconducting ring.The forces acting on the magnetic block were different when it passed through the metal rings from that when it passed through the superconducting ring.

superconducting；Lenz law；induced current；zero resistance

O441.4

A

1005-4642（2014）10-0012-03

2014-04-29；修改日期：2014-07-28

張 強（1948－），男，北京人，副教授，學士，從事物理教學及超導方向的研究.