關(guān)于“液氮—超導(dǎo)磁懸浮”實驗的研究

摘 要：高溫超導(dǎo)體在液氮的低溫環(huán)境下顯示超導(dǎo)性能，從而在外加磁場中實現(xiàn)懸浮。在初中化學(xué)教材中僅出現(xiàn)有關(guān)“液氮—超導(dǎo)磁懸浮”的圖文介紹，但設(shè)有具體的實驗呈現(xiàn)。為增進(jìn)學(xué)生對知識的理解、拓寬學(xué)生的科技視野，文中研究并設(shè)計了簡易的適合課堂演示的超導(dǎo)磁懸浮實驗。

關(guān)鍵詞：液氮；超導(dǎo)磁懸?。粚嶒炑芯?/p>

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、問題提出

在人教版義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級上冊第28頁提到“超導(dǎo)材料在液氮的低溫環(huán)境下能顯示超導(dǎo)性能”，在此頁的插圖中出現(xiàn)“磁懸浮列車”，配文“氮?dú)庥糜诖艖腋×熊嚒薄３瑢?dǎo)材料在低溫環(huán)境下才能顯示超導(dǎo)性能，即零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)是指超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下時，會產(chǎn)生完全排斥外加磁場的效應(yīng)，這是超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因。顯然，僅靠圖文和講解要讓學(xué)生理解“氮?dú)庥糜诖艖腋×熊嚒笔潜容^困難的，若能將“液氮—超導(dǎo)磁懸浮”實驗引入課堂，則利于激發(fā)學(xué)生思維，拓展學(xué)科視野，增進(jìn)學(xué)科理解。

在中國知網(wǎng)上檢索關(guān)鍵詞“液氮”，主要為液氮冷凍在醫(yī)療和食品保存等方面的應(yīng)用類文章。檢索關(guān)鍵詞“超導(dǎo)磁懸浮”，多為超導(dǎo)磁懸浮理論研究和超導(dǎo)磁懸浮車技術(shù)研究類文章，未發(fā)現(xiàn)適合中學(xué)課堂演示的“超導(dǎo)磁懸浮”實驗類文章。以下此實驗設(shè)計將填補(bǔ)教材中有關(guān)“氮?dú)庥糜诖艖腋×熊嚒睂嶒灥目瞻住?/p>

二、實驗設(shè)計

（一）實驗用品

液氮，圓形釔鋇銅氧（YBCO）超導(dǎo)體一枚（直徑20mm，厚3mm），環(huán)形釹鐵硼磁鐵（外徑43mm，內(nèi)徑25mm，厚18mm），塑料圓盒，塑料鑷子。

之所以選用釔鋇銅氧超導(dǎo)體，主要基于兩個因素：一是實驗條件較易實現(xiàn)，釔鋇銅氧屬于高溫超導(dǎo)體，其臨界溫度為92K，而要將釔鋇銅氧冷卻到此溫度以下，教材中的液氮（沸點(diǎn)為77K）就能達(dá)成；二是實驗成本低，釔鋇銅氧從1987年發(fā)現(xiàn)至今，經(jīng)過制備技術(shù)不斷迭代，已是一種成熟的高溫超導(dǎo)材料，所以其價格也日趨低廉，如直徑20mm，厚3mm大小的釔鋇銅氧超導(dǎo)體一枚市場價為300元左右。液氮可從氣體公司購得，價格約為10元/ L。

（二）實驗原理

釔鋇銅氧超導(dǎo)體的臨界溫度為92K，因此釔鋇銅氧在液氮中浸泡一會便能顯示超導(dǎo)性能，此時將其置于釹鐵硼磁鐵的強(qiáng)磁環(huán)境中，超導(dǎo)體產(chǎn)生一個與之相反的磁場，保證內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為0，這就形成了一個斥力，讓超導(dǎo)體和磁鐵間實現(xiàn)懸浮[1]。

三、實驗過程

將釔鋇銅氧超導(dǎo)體和釹鐵硼磁鐵放在塑料圓盒中，倒入液氮浸泡充分冷卻，此過程中液氮會沸騰氣化需補(bǔ)充，1分鐘后用塑料鑷子取出超導(dǎo)體，將其置于環(huán)形磁鐵的內(nèi)孔處，可穩(wěn)定懸浮，如圖1所示。在不補(bǔ)充液氮的情況下，超導(dǎo)體的溫度會逐漸升高而喪失超導(dǎo)性能，所以懸浮狀態(tài)只能維持1分30秒左右，如不斷補(bǔ)充液氮，維持體系的低溫，則懸浮狀態(tài)可持續(xù)更久。此實驗視頻可掃碼圖2觀看。

四、實驗注意點(diǎn)

①注意實驗安全，實驗過程中要佩戴防護(hù)手套，穿長袖衣物和長褲，以免液氮凍傷。

②實驗過程中禁止使用鐵質(zhì)用品，如鐵鑷子和鐵圓盒等，因釹鐵硼屬強(qiáng)磁體，會強(qiáng)力吸引鐵器，使實驗操作無法進(jìn)行。

③推薦使用環(huán)形釹鐵硼磁鐵。一是釹鐵硼磁鐵屬強(qiáng)磁體，與超導(dǎo)體間能產(chǎn)生足夠的斥力，從而產(chǎn)生明顯的懸浮現(xiàn)象。筆者曾嘗試使用普通的鐵氧體磁鐵，由于磁性較弱，按上述步驟操作多次，實驗均失敗。二是環(huán)形磁鐵在內(nèi)孔處超導(dǎo)體受力均勻，容易找到平衡點(diǎn)，無需反復(fù)嘗試，簡化操作。

④注意保持超導(dǎo)體的低溫狀態(tài)。本實驗在液氮浸泡的條件下進(jìn)行，是為了保持低溫環(huán)境，延長超導(dǎo)體的懸浮時間，便于課堂上學(xué)生觀察和教師講解。如不在此條件下進(jìn)行，僅是讓超導(dǎo)體在液氮中冷卻1分鐘，然后取出置于磁鐵上方，隨著超導(dǎo)體迅速升溫，則懸浮狀態(tài)很快消失。

五、實驗展望

為讓實驗更好模擬磁懸浮列車的工作原理，可用磁鐵排列成橢圓形軌道，讓超導(dǎo)體懸浮并沿軌道滑行。此時超導(dǎo)體的保溫設(shè)計是關(guān)鍵，這樣可以一次冷卻而獲得較長懸浮時間。因此必須選用合適的保溫材料包裹超導(dǎo)體，并同時能儲存液氮且不影響液氮的揮發(fā)，這些都是進(jìn)一步研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]魯建全.磁懸浮與恩紹定理[ J].物理教學(xué)，2020（8）：80.

（責(zé)任編輯：加順花）