磁悬浮力的测量
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综合物理实验报告
磁悬浮力的测量
报告人：刘亮 侯阳 指导老师：刘进 高政祥
2002 年 12 月 22 日
报告内容简介
实验选题 实验原理 实验装置 实验步骤 实验数据 结果分析 致谢
实验选题
背ห้องสมุดไป่ตู้介绍：
磁悬浮列车的兴起
磁悬浮列车原理
悬浮力来源 转向力来源 推进力来源
高温超导体在磁悬浮列车上应用
磁通动力学模型
但随后的研究却发现, Anderson-Kim 模型并不 能完全解释高温超导体的磁弛豫现象, 特别是对 数弛豫只是在某些情况下的近似，同时弛豫率与 温度的依赖关系与Anderson-Kim模型也有明显 的不同。这些结果导致了一些新的唯象的模型的 发展。
磁通动力学模型
不同的模型有着不同的U(J)方程，Maley曾提出 一种建立在磁通蠕动测量基础上从而确定U(J)方 程的方法，得到了和Zeldov相同的对数结果，通 过研究磁悬浮力的数据，我们试图验证磁通模型。
化的编程语言，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用
它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使 用过程都生动有趣。 Labview是图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言 编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。 所有的Labview应用程序，即虚拟仪器（VI），都包括前面板 （front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器 (icon/connector)三部分。
实验步骤
放置好实验装置，预设磁体作用的距离和正弦运 动的振幅和频率。
在装置盒中引入液氮，使其液面在样品面上方 （对于零场直接超导；场冷需要把充磁的样品及 其盛放的盒子一同倒入，可预先少放液氮在装置 盒内）。
实验步骤
超导充磁 1. 零场冷却，使样品在无磁场的环境下达到转变
实验原理
磁悬浮力的产生 超导电流在磁场下受 Lorentz力
由Zeldov模型理论计算
不同充磁强度下的磁 悬浮力 正弦运动
U
(
J
)
U
0
ln(
Jc0 J
)
测量流程图
实验装置
Source Meter 压力传感器 数字磁强计 YBCO样品块 永久磁体 装置台 传动装置 驱动装置 Data Acquisition System
磁通动力学模型
YBCO属于非理想的第二类超导体，它的磁化曲 线是不可逆的，混合态的磁通格子分布是非均匀 的，这种非均匀磁通格子受到来自晶体缺陷的 “钉扎”作用。最早的，Anderson和Kim提出 了一个模型，以及磁通蠕动的概念。模型首先引 进了单位体积内元钉扎力, 钉扎力密度起作用的 部分构成有效钉扎势 Up 。
IEEE-488 GPIB PCI-488 Computer Labview System
虚拟仪器概述
被 测 对 象
信 号 调 理
数 据 采 集 卡
数
据 处
虚拟仪器面板
理
Labview 简介
Labview（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形
圆柱体,表面磁感强度0.5T 底面直径：
30.00mm 高：
15，20，25，30mm
装置台
与压力传感器固连在 一起的底座
盛放液氮的外部容器 固定YBCO样品块的
样品座 有机玻璃管
装置台
传动装置
如右图所示， 当圆盘以一定 的角速度匀速 转动时，若满 足条件L>>r,则 物块以相同的 圆频率在竖直 方向上作正弦 运动
实际装置图
Source Meter
Keithley Instruments 2400 Introduction: Source Voltage: from 5uV to 210V Resolution Limiting: 5uV Maximum Source Power: 22W
压力传感器
BK-2S型测力/称重传 感器
传统使用电磁线圈
高温超导体的优越性
1.电流大，磁力强 2.磁体能耗小 3.磁场衰减慢
超导磁体 （Superconducting magnet）
某些超导转变温度在液氮温度（77K）以上的超导材料， 当它们在磁场中冷却到超导转变温度以下时，磁场的撤 去会使超导材料俘获（Trap）稳定的较强的磁场，从而 成为超导磁体。这样得到的超导磁体具有磁场强，场强 稳定的特点，获得了广泛的应用。超导磁悬浮列车的悬 浮力正是超导永久磁体和普通永久磁体（Permanent magnet）之间的作用力提供的。我们实验中将普遍采用 YBCO .
驱动装置
驱动方法有两种 步进电机驱动 手动，由多级齿轮传动
电机控制
步进电机原理 将电的脉冲信号转换成
相应的角位移的机电 元件 按照顺序向各相发脉冲 驱动
电机控制装置
由步进电机，驱动电源，并行控制卡， 驱动程序组成
电机控制装置
8255控制电路
电机控制装置
8255驱动电源
驱动程序
19985
19988
23977
23978
理论值 0 3996 7992 11988 15985 19981 23977
数字磁强计
规格： LX-H-2型数字磁强计
使用2T挡 零点校准：
2894
YBCO样品
圆柱体 底面直径：
30.68mm 高：
19.86mm
永久磁体
永久磁体的材料为钕铁硼 NdFeB 中科院三环公司生产
基于8255 A口方式1控制输出 地址：1B0H~1B3H C口确定LS245方向
手动转轮控制
由绕线机 改装而成
Data Acquisition System
Keithley Instruments 2700 Introduction: Measurement Voltage: from 0.1uV to 1000V Resolution Limiting: 0.1uV
工作原理：根据电阻应 变原理把力矩产生的 应变转换成与其线性 关系的电信号。
压力传感器
主要技术指标:
压力传感器的载荷与指示仪器示值
载荷 kg 压力 0 5 10 15 20 25 30
指示仪器示值 uV
进程平均
同程平均
0
0
3998
4001
7993
7998
11991
11995
15988
15992
磁悬浮力的测量
报告人：刘亮 侯阳 指导老师：刘进 高政祥
2002 年 12 月 22 日
报告内容简介
实验选题 实验原理 实验装置 实验步骤 实验数据 结果分析 致谢
实验选题
背ห้องสมุดไป่ตู้介绍：
磁悬浮列车的兴起
磁悬浮列车原理
悬浮力来源 转向力来源 推进力来源
高温超导体在磁悬浮列车上应用
磁通动力学模型
但随后的研究却发现, Anderson-Kim 模型并不 能完全解释高温超导体的磁弛豫现象, 特别是对 数弛豫只是在某些情况下的近似，同时弛豫率与 温度的依赖关系与Anderson-Kim模型也有明显 的不同。这些结果导致了一些新的唯象的模型的 发展。
磁通动力学模型
不同的模型有着不同的U(J)方程，Maley曾提出 一种建立在磁通蠕动测量基础上从而确定U(J)方 程的方法，得到了和Zeldov相同的对数结果，通 过研究磁悬浮力的数据，我们试图验证磁通模型。
化的编程语言，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。利用
它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使 用过程都生动有趣。 Labview是图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言 编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。 所有的Labview应用程序，即虚拟仪器（VI），都包括前面板 （front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器 (icon/connector)三部分。
实验步骤
放置好实验装置，预设磁体作用的距离和正弦运 动的振幅和频率。
在装置盒中引入液氮，使其液面在样品面上方 （对于零场直接超导；场冷需要把充磁的样品及 其盛放的盒子一同倒入，可预先少放液氮在装置 盒内）。
实验步骤
超导充磁 1. 零场冷却，使样品在无磁场的环境下达到转变
实验原理
磁悬浮力的产生 超导电流在磁场下受 Lorentz力
由Zeldov模型理论计算
不同充磁强度下的磁 悬浮力 正弦运动
U
(
J
)
U
0
ln(
Jc0 J
)
测量流程图
实验装置
Source Meter 压力传感器 数字磁强计 YBCO样品块 永久磁体 装置台 传动装置 驱动装置 Data Acquisition System
磁通动力学模型
YBCO属于非理想的第二类超导体，它的磁化曲 线是不可逆的，混合态的磁通格子分布是非均匀 的，这种非均匀磁通格子受到来自晶体缺陷的 “钉扎”作用。最早的，Anderson和Kim提出 了一个模型，以及磁通蠕动的概念。模型首先引 进了单位体积内元钉扎力, 钉扎力密度起作用的 部分构成有效钉扎势 Up 。
IEEE-488 GPIB PCI-488 Computer Labview System
虚拟仪器概述
被 测 对 象
信 号 调 理
数 据 采 集 卡
数
据 处
虚拟仪器面板
理
Labview 简介
Labview（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形
圆柱体,表面磁感强度0.5T 底面直径：
30.00mm 高：
15，20，25，30mm
装置台
与压力传感器固连在 一起的底座
盛放液氮的外部容器 固定YBCO样品块的
样品座 有机玻璃管
装置台
传动装置
如右图所示， 当圆盘以一定 的角速度匀速 转动时，若满 足条件L>>r,则 物块以相同的 圆频率在竖直 方向上作正弦 运动
实际装置图
Source Meter
Keithley Instruments 2400 Introduction: Source Voltage: from 5uV to 210V Resolution Limiting: 5uV Maximum Source Power: 22W
压力传感器
BK-2S型测力/称重传 感器
传统使用电磁线圈
高温超导体的优越性
1.电流大，磁力强 2.磁体能耗小 3.磁场衰减慢
超导磁体 （Superconducting magnet）
某些超导转变温度在液氮温度（77K）以上的超导材料， 当它们在磁场中冷却到超导转变温度以下时，磁场的撤 去会使超导材料俘获（Trap）稳定的较强的磁场，从而 成为超导磁体。这样得到的超导磁体具有磁场强，场强 稳定的特点，获得了广泛的应用。超导磁悬浮列车的悬 浮力正是超导永久磁体和普通永久磁体（Permanent magnet）之间的作用力提供的。我们实验中将普遍采用 YBCO .
驱动装置
驱动方法有两种 步进电机驱动 手动，由多级齿轮传动
电机控制
步进电机原理 将电的脉冲信号转换成
相应的角位移的机电 元件 按照顺序向各相发脉冲 驱动
电机控制装置
由步进电机，驱动电源，并行控制卡， 驱动程序组成
电机控制装置
8255控制电路
电机控制装置
8255驱动电源
驱动程序
19985
19988
23977
23978
理论值 0 3996 7992 11988 15985 19981 23977
数字磁强计
规格： LX-H-2型数字磁强计
使用2T挡 零点校准：
2894
YBCO样品
圆柱体 底面直径：
30.68mm 高：
19.86mm
永久磁体
永久磁体的材料为钕铁硼 NdFeB 中科院三环公司生产
基于8255 A口方式1控制输出 地址：1B0H~1B3H C口确定LS245方向
手动转轮控制
由绕线机 改装而成
Data Acquisition System
Keithley Instruments 2700 Introduction: Measurement Voltage: from 0.1uV to 1000V Resolution Limiting: 0.1uV
工作原理：根据电阻应 变原理把力矩产生的 应变转换成与其线性 关系的电信号。
压力传感器
主要技术指标:
压力传感器的载荷与指示仪器示值
载荷 kg 压力 0 5 10 15 20 25 30
指示仪器示值 uV
进程平均
同程平均
0
0
3998
4001
7993
7998
11991
11995
15988
15992