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）

0 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(shí)突然進(jìn)入一種新?tīng)顟B(tài)，其電阻小到用當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法測(cè)量出來(lái)，他把汞的這一新?tīng)顟B(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)現(xiàn)象自從發(fā)現(xiàn)以來(lái)，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(guò)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(jiǎng)。

超導(dǎo)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，費(fèi)米面附近的電子可以通過(guò)某種微觀相互作用，形成所謂的庫(kù)珀電子對(duì)，當(dāng)電子以電子對(duì)形式運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以“抵抗”晶格等對(duì)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(shí)，在表面會(huì)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(gè)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(gè)重要研究方向。

磁懸浮列車是由無(wú)接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的新型交通工具。1922年德國(guó)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(yùn)行時(shí)幾乎沒(méi)有阻力，它的這一特性使其可能成為未來(lái)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(shí)速可達(dá)500公里以上（高速輪軌列車的最高時(shí)速一般為300～350公里），在1000至1500公里的距離內(nèi)堪與航空競(jìng)爭(zhēng)；而常導(dǎo)型磁懸浮列車時(shí)速為400～500公里，它的中低速則比較適合于城市間的長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸。

本研究通過(guò)制作超導(dǎo)磁懸浮列車模型，讓學(xué)生對(duì)超導(dǎo)磁懸浮有一個(gè)直觀的體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(lái)使其進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)。在整個(gè)研究過(guò)程中，我們更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮車的自動(dòng)運(yùn)行和制動(dòng)。

1 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(shí)間2小時(shí)。混合好后，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(shí)間為5小時(shí)?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為4BaCO3+Y2O3+6CuO→2YBa2Cu3O7-x+4CO2+(6.5+x)O2。

樣品燒好后我們敲下一小塊，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)和物性的測(cè)試。其中樣品結(jié)構(gòu)通過(guò)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(cè)量；磁化率在Quantum-design公司的SQUID-VSM上測(cè)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(diǎn)微小的雜質(zhì)峰，這個(gè)結(jié)果說(shuō)明我們制備的釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)體相非常干凈。對(duì)于其物性測(cè)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(gè)相變，對(duì)應(yīng)于超導(dǎo)體的零電阻轉(zhuǎn)變和抗磁效應(yīng)，說(shuō)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(duì)其超導(dǎo)屏蔽體積進(jìn)行了計(jì)算，從圖上可以看出，有場(chǎng)冷卻下其超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)百分比達(dá)到100%，從而說(shuō)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(lái)，我們對(duì)超導(dǎo)樣品進(jìn)行了超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。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(cè)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(lái)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(chǎng)。永磁體選擇扁平的外形，一個(gè)正面為北極，一個(gè)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(yùn)行的示意圖如圖3所示。

為了控制超導(dǎo)小車的運(yùn)行，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種磁阻尼制動(dòng)裝置。其基本原理如圖4所示，當(dāng)永磁體相對(duì)于金屬有一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬表面會(huì)感應(yīng)出感應(yīng)電流，感應(yīng)電流與磁力線的切割運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)阻力，阻礙磁鐵和金屬的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)基本的實(shí)例就是一塊磁鐵穿過(guò)銅管時(shí)，速度會(huì)大大降低。我們的超導(dǎo)小車就可以看成是一個(gè)金屬，再提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁鐵時(shí)，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(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，就可以給小車提供一個(gè)動(dòng)力；而當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)方向和小車運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，就會(huì)感受到一個(gè)阻力。

2 總結(jié)

在本項(xiàng)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(yàn)證。以此為基礎(chǔ)，我們制備了磁懸浮小車模型，通過(guò)在釹鐵硼永磁體鋪成的軌道上運(yùn)行，驗(yàn)證了超導(dǎo)磁懸浮的現(xiàn)象。最后，我們還制備了簡(jiǎn)單的磁阻尼動(dòng)力裝置，實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)磁懸浮小車的自動(dòng)啟動(dòng)和制動(dòng)。我們超導(dǎo)磁懸浮小車的研制成功，說(shuō)明這個(gè)工作可以成為未來(lái)高等教育方面一個(gè)可以開(kāi)設(shè)的課程，培養(yǎng)本科生的科研動(dòng)手能力，并切實(shí)體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)超導(dǎo)磁懸浮這一有趣的物理現(xiàn)象。

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