物理超导报告

大学物理实验报告超导磁悬浮现象分析及其应用

姓名：

学号：

学院：信息学院

专业：计算机科学与技术

指导教师：

8年月日

超导磁悬浮现象分析及其应用

摘要：通过对超导磁悬浮现象的研究，分析后得出超导原理及超导磁悬浮现象的应用方法。

关键字：超导磁悬浮迈斯纳效应

【知识简介】

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂

内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，

汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属

和合金都具有与上述汞相类似的低温下失

去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡

末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他

的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

1933年德国物理学家迈斯纳

（W.Meissner）和奥森菲尔德

（R.Ochsebfekd）对锡单晶球超导体做磁场

分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进

入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁

力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处

于超导态时，体内的磁场恒等于零。

超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。

此外，超导体还是完全的抗磁体，外加磁场无法进入或（严格说是）大范围地存在于超导体内部，这是超导体的另一个基本特性。

【实验步骤】

1)备一个小型液氮容器，最好是模压泡沫容器（如：仪表包装衬套即可）

2)将小车下面垫上8mm左右的硬纸板放在磁性导轨上

3)取下小车上盖，将液氮倒入小型液氮容器，再倒入车体容器中（内有超导块），大约过

2-3分钟，使超导块充分冷却，盖上车盖，撤下硬纸板，小车悬浮在导轨上方

4)接上驱动变压器，将其电压调到4.5V左右，打开驱动开关（在导轨托板的前方）

5)用手给车一个驱动力，使小车顺着驱动器的转动放线运动，使小车受到一个向前的驱动

力的作用，车就会沿着磁性导轨持续运动起来

【实验现象】

小车先悬浮在轨道上方，再给小车施加一个向前的推力后，小车悬浮并沿着轨道匀速运动。

【理论解释】

许多金属和合金在低温下，电阻率趋近于零，我们把这种现象称为超导电性。出现超导电性的那个温度称为转变温度或临界温度，记为T C，在T C以上，金属为正常态；TC以下金属处于超导态。不同金属或合金的临界温度TC不同。

物体在低温出现超导现象是因为在温度很低的时候，原子核的运动被易子气束缚在很小的范围内，原子与原子形成弹性晶格状，原子只能在晶格中有微弱的振动，内层电子在这些晶格之间做振动，外层自由电子无法将能量传递给原子核，自由电子与巨大的弹性晶格相碰撞，无法将自己的能量转变成巨大弹性晶格的内能，所以无能量损失。在磁场中，只有超导体的外部直接与磁场接触的部分可以被磁化，超导体表现出完全抗磁性。

超导体的磁性与常规磁体的磁性不同，超导体进入超导态后置于外磁场中，它内部产生磁化强度与外磁场完全抵消，磁力线完全被排斥在超导体外面，从而内部的磁感应强度为零，这就是超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应。（如图10-1）完全抗磁性会产产生磁悬浮或者倒挂现象。

产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而总合成磁场为零。

换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。

超导体不是电阻无限小的理想导体。因为对于电阻率ρ无限小的理想导体，根据

J＝σＥ＝Ｅ／ρ

当ρ为０时，Ｅ必须为０才能使Ｊ保持有限。这就是说对理想导体在没有电场Ｅ的条件下仍可以维持稳恒的电流密度。

实验中，当超导块经冷却达到超导态后靠近磁性导轨时，磁力线进入超导体表面并形成很大的磁通密度梯度，感应出高屏蔽电流，又由于零电阻效应，屏蔽电流几乎不随时间衰减，该电流产生的磁场与外磁场相互作用，从而对轨道产生排斥，排斥力克服超导体重力使其悬浮。磁性导轨用铷铁硼磁块铺设在钢板上制成，两边N型导轨起磁约束作用，保证超导块在轨道上运动

【应用】

●超导发电机

由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。

超导磁体可用于制作交流超导发电机，磁流体发电机和超导输电线路等。

超导发电机在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。

●超导磁悬浮列车

超导磁悬浮列车可达500至600公里／小时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30%。在500公里／小时速度下，每座位／公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车也少耗能30%。

因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生摩擦，发出的噪音很低。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。

核聚变反应堆"磁封闭体"

核聚变反应时,内部温度高达1亿～2亿℃，没有任何常规材料可以包容这些物质.而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围，约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。（下图为美国超导核聚变反应堆）