磁悬浮力的测量

1、磁悬浮力的测量磁悬浮力的测量 2002 年 12 月 22 日 综合物理实验报告 报告人：刘亮 侯阳 指导老师：刘进 高政祥 报告内容简介报告内容简介 l实验选题 l实验原理 l实验装置 l实验步骤 l实验数据 l结果分析 l致谢 实验选题实验选题 l背景介绍： 磁悬浮列车的兴起 磁悬浮列车原理磁悬浮列车原理 l悬浮力来源 l转向力来源 l推进力来源 高温超导体在磁悬浮列车上应用高温超导体在磁悬浮列车上应用 l传统使用电磁线圈 l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 超导磁体超导磁体 （Superconducting magnet） l某些超导转变温度在液氮温

2、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 . 磁通动力学模型磁通动力学模型 lYBCO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

3、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 。 磁通动力学模型磁通动力学模型 l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。 磁通动力学模型磁通动力学模型 l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

4、通模型。 实验原理实验原理 l磁悬浮力的产生 超导电流在磁场下受 Lorentz力 由由Zeldov模型理论计算模型理论计算 l不同充磁强度下的磁 悬浮力 正弦运动 )ln()( 0 0 J J UJU c 测量流程图测量流程图 实验装置实验装置 lSource Meter l压力传感器 l数字磁强计 lYBCO样品块 l永久磁体 l装置台 l传动装置 l驱动装置 lData Acquisition System 实际装置图实际装置图 Source Meter l Keithley Instruments 2400 Introduction: Source Voltage: from 5uV

5、to 210V Resolution Limiting: 5uV Maximum Source Power: 22W 压力传感器压力传感器 lBK-2S型测力/称重传 感器 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。 压力传感器压力传感器 l主要技术指标: 压力传感器的载荷与指示仪器示值压力传感器的载荷与指示仪器示值 载荷 kg指示仪器示值 uV 压力进程平均同程平均理论值 0000 5399840013996 10799379987992 15119911199511988 20159881599215985 25199851998819981 302397

6、72397823977 数字磁强计数字磁强计 l规格： LX-H-2型数字磁强计 l使用2T挡 l零点校准： 2894 YBCO样品样品 l圆柱体 l底面直径： 30.68mm l高： 19.86mm 永久磁体永久磁体 l永久磁体的材料为钕铁硼 NdFeB 中科院三环公司生产 l圆柱体,表面磁感强度0.5T l底面直径： 30.00mm l高： 15，20，25，30mm 装置台装置台 l与压力传感器固连在 一起的底座 l盛放液氮的外部容器 l固定YBCO样品块的 样品座 l有机玻璃管 装置台装置台 传动装置传动装置 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Lr,则 物块

7、以相同的 圆频率在竖直 方向上作正弦 运动 驱动装置驱动装置 l驱动方法有两种 步进电机驱动 手动，由多级齿轮传动 电机控制电机控制 l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 电机控制装置电机控制装置 l由步进电机，驱动电源，并行控制卡， 驱动程序组成 电机控制装置电机控制装置 l8255控制电路 电机控制装置电机控制装置 l8255驱动电源 驱动程序驱动程序 l基于8255 A口方式1控制输出 l地址：1B0H1B3H lC口确定LS245方向 手动转轮控制手动转轮控制 由绕线机 改装而成 Data Acquisition System lK

8、eithley Instruments 2700 Introduction: Measurement Voltage: from 0.1uV to 1000V Resolution Limiting: 0.1uV lIEEE-488 GPIB lPCI-488 lComputer lLabview System 虚拟仪器概述虚拟仪器概述 被 测 对 象 信 号 调 理 数 据 采 集 卡 虚拟仪器面板 数 据 处 理 Labview 简介简介 lLabview（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形 化的编程语言，被视为一个标准的数据采集

9、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。 lLabview是图形化的程序语言，又称为“”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。 l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。 实验步骤实验步骤 l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。 l 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

10、，可预先少放液氮在装置 盒内）。 实验步骤实验步骤 l超导充磁 1. 零场冷却零场冷却，使样品在无磁场的环境下达到转变 温度以下，此时样品内部无磁通。 2. 场冷场冷，使样品在有磁场的环境下达到转变温度 以下，此时样品内部有俘获场。 实验步骤实验步骤 lSourceMeter输出恒压12V，建立压力传感器数 据连接。 l运行Labview程序，获得液氮挥发曲线作为数据 修正使用。 l正式测量，获取34个周期的数据。 l处理数据（Orgin6.1） 实验数据实验数据 l永磁体之间的作用 l超导体与永磁体之间的作用 永磁体准静态接近永磁体准静态接近 lF-z 15mm 20mm 永磁体准静态接近永

11、磁体准静态接近 lF-z 30mm 20mm SCM Zero Field-cooling lF-t 未修正 30mm PM lT=60s lZ from 5cm15cm lTotal time 2 minutes SCM Zero Field-cooling SCM Zero Field-cooling l为了修正液氮挥发 l测量了无其他作用时的F-t SCM Zero Field-cooling SCM Zero Field-cooling Linear Regression for Data: Y = A + B * X ParameterValue Error - A -0.46735

12、 3.89058E-4 B-7.18687E-4 5.60856E-6 - R SD NP - -0.98227 0.004766000.0001 - SCM Zero Field-cooling lF-t 修正后 SCM Zero Field-cooling lF-z 修正后 SCM Zero Field-cooling lF-t 未修正 15mm PM lT=60s lZ from 3cm13cm lTotal time 5 minutes SCM Zero Field-cooling SCM Zero Field-cooling lF-t 修正后 SCM Zero Field-cooli

13、ng lF-z 修正后 SCM Field-cooling lF-t 未修正 30mm PM lT=60s lZ from 7cm17cm lTotal time 4 minutes l充磁磁场磁感应强度 B=0.1868T SCM Field-cooling SCM Field-cooling lF-t 修正后 SCM Field-cooling lF-z 修正后 SCM Field-cooling lF-t 未修正 30mm PM lT=60s lZ from 5cm15cm lTotal time 200 seconds SCM Field-cooling SCM Field-cooli

14、ng lF-t 修正后 SCM Field-cooling lF-z 修正后 结果分析结果分析 l永磁体之间的作用力F 仅是距离z的函数，大小可用椭 圆积分表示，我们的数据可拟合为 12 1 / 2 ee z zz z FAA 结果分析结果分析 l超导样品与永磁体之间的悬浮力作用F并不仅 是距离z的函数，它还与运动形式有关，这源于 第二类超导体内的磁通运动，因而F-z的曲线不 是单值的。 结果分析结果分析 l鉴于我们实验中的充 磁强度不够（永磁体 充磁），F-z并没有 很好的看出类似滞回 的样子，待到有更大 的剩余磁场时，结果 应更好。 结果分析结果分析 lZFC 与FC在磁悬浮力的测量中的区别在于FC 具有剩余磁场，因而有较大的Lorentz力，体现 在实验中FC的磁悬浮平衡位置较高，定性的， 在相同条件下（同永磁体，同高度），FC的磁 悬浮力大，这与理论计算吻合。 实验总结实验总结 我们本期所做的工作主要有：我们本期所做的工作主要有： l阅读文献，理论学习了主要包括磁通动力学相关 知识。 l独立搭建了一套测量磁悬浮力的实验装置。 l学习了电机控制，Labview数据采集系统，机械 加工等实际知识