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超导磁悬浮涡旋电流理论及其实验验证.pdf 72页
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郑州大学硕士学位论文
超导磁悬浮有着广阔的应用前景，而决定悬浮系统应用价值的关键因素是悬
浮力。目前，有关悬浮力探索大致可分为实验和理论两个领域。有关实验研究已
经取得了丰富的成果，基本澄清了超导磁悬浮力的一些表现特征，但实验上仅是
对观测数据的统计总结，缺乏明确的理论模型给予指导。尽管目前在理论研究方
面已提出不少模型，但多数边界设置与实际应用的超导磁悬浮特征相去甚远，理
论研究明显滞后，同时也凸现了理论研究之迫切。
本文通过详细分析超导磁悬浮特征，论述了各理论模型与实际应用情况存在
的偏离。这种偏离主要体现在两方面：第一，将超导体视为一个整体与外磁场相
互作用，忽略了超导体内部涡旋电流的微观特征；第二，边界设置问题。由于应
用于磁悬浮的均为第二类超导体，其对外磁场的响应呈现动态变化，设置边界却
严重抑制了超导体对外磁场的动态响应。为了避免以上缺陷，文中取自然边界，
并将涡旋电流作为独立的微磁场源，每个涡旋电流元产生一个磁矩元与永磁体相
互作用，运用基本电磁场关系确定每个微涡旋产生的悬浮力，经过严格推导，在
整个超导体内进行叠加可求解总悬浮力尼。
为了验证VC理论模型的可靠性，我们运用Fortran语言对F：进行理论计算，
与实验结果进行比较。在计算过程中，各参数设置严格按照实验中给定的相应数
值，通过GL方程修正后的计算结果与实验符合甚佳，从而验证了VC模型能恰
当反映出超导磁悬浮特征。
从悬浮力的计算结果可以看出，VC理论计算曲线总是和磁滞回线的第二条
线相吻合，这是磁滞现象造成的。根据计算结果，我们对磁滞的来源提出了新观
点，即超导磁悬浮磁滞可能来源于超导体内的“电磁感应”成份。由于“电磁感
应&总是阻碍磁通量发生变化，超导磁悬浮力第一条曲线中包含着这种电磁感应
产生的阻碍力，而第二条曲线的反向相对运动所产生的感应电流抵消了第一条曲
线的影响，仅仅留下VC产生的悬浮力。在后续的工作中，我们将通过进一步分
析建立磁滞解析公式，以期从理论上圆满解决超导磁悬浮及其磁滞问题。
关键词：超导磁悬浮，涡旋电流，理论模型，自然边界
郑州人学硕士学位论文
levitationhasbroad
Superconductingmagnetic
applicationprospects，and
levitationforceisthe factorinits
levitationforceis
application．Atpresent,the
studiedboth
studies，which
experimentallytheoretically．Theexperimental
clarifiedsomecharacteristicsofthe
levitation
superconductingmagnetic force，are
fruitful．Butare
thestatistical ofobservational
data,lacking
正在加载中，请稍后...三个基本参数；超导体的基本特性之一是零电阻(完全导电性)，就是；超导体的另一个基本特性是完全抗磁性；严格说来，完全抗磁性是超导体的更本征的特性；即使在低于超导临界转变温度时，超导体也不是可无限；超导体除了超导临界转变温度、临界电流密度外，还有；综上所述，要保证一个超导体处于超导状态就必须同时；四、超导电性；4.2超导体的特性；(1)零电阻；零电阻是超导体的一
三个基本参数
超导体的基本特性之一是零电阻(完全导电性)，就是说在超导临界转变温度之下，超导体可以在无电阻的状态下传输电流。
超导体的另一个基本特性是完全抗磁性。也就是说超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入。这个现象是迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Oschenfeld）在1933年发现的，所以称做迈斯纳效应。
严格说来，完全抗磁性是超导体的更本征的特性。迄今为止，除了超导体外，还没有发现其它任何材料具有完全抗磁性。而对于零电阻和非常小的电阻的区别，在量上是很难定义的，尤其是在测量中受到所使用仪器精度的限制。所以人们在鉴别某种材料是否是超导体时，除了使用电阻法来测量样品的电阻外，更多的是使用磁测量的方法来测量样品的抗磁性。当然，现在如果要鉴定某种材料是否是超导体，两种方法会同时使用，使结论更加准确。
即使在低于超导临界转变温度时，超导体也不是可无限制地通过电流而仍处于无电阻的状态。当所通过的电流达到某一数值时，超导体将失去超导特性，变成具有电阻的一般正常导体。在一定温度下（这个温度一定低于超导体的临界转变温度）这个使超导体转变成正常导体的电流值就称为该超导体临界电流。为了更好地把超导体的超导载流能力与材料固有性质联系起来，人们一般用临界电流密度来表述超导体的载流能力。临界电流密度定义为临界电流/超导体通流截面积。另外，超导体在不同的温度下的临界电流密度是不同的。温度越低，临界电流密度会越大。所以在谈及临界电流密度时应指出是在什么温度下的临界电流密度。
超导体除了超导临界转变温度、临界电流密度外，还有一个重要的特征参数，这就是临界磁场强度。当把一个超导体置于一个磁场中，在磁场的强度小于一个特定的数值时，超导体会表现出迈斯纳效应，把磁力线完全排斥在超导体之外，超导体内部的磁场为零。当磁场的强度超过这个特定的数值时，磁力线就会进入超导体的内部，超导体也随之失去了超导的特性。这个特定的磁场强度的数值就叫做该超导体的临界磁场强度。类似于临界电流密度，超导体临界磁场强度也随着温度的变化而变化。所以在给出一种材料的临界磁场强度时，应指明所对应的温度。
综上所述，要保证一个超导体处于超导状态就必须同时满足所处在的温度低于其超导转变温度，所通过的电流密度小于其所处温度下的临界电流密度以及所处的磁场小于其在该温度下临界磁场强度。超导体的超导临界转变温度，临界电流密度和临界磁场强度是相互关联的三个基本参数。
四 、超导电性
4.2 超导体的特性
零电阻是超导体的一个重要特性。超导体处于超导状态时，电阻完全消失，若用它组成闭合回路，一旦在回路中有电流，则回路中没有电能的消耗，不需要任何电源补充能量，电流可以持续存在，形成持久电流。因此超导体内部?→0，?→∞。E=0，超导体是一个等势体。
(2)临界磁场与临界电流密度
1913年，昂尼斯发现，当超导铅线中的电流密度超过某一临界值jc时，铅线就转变为正常态。1914年，他从实验中发现，材料的超导状态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场，以Hc表示。一般说来，临界磁场与温度关系如下
而临界电流密度与温度关系为
式中Hc(0)，jc(0)分别为T=0K时的临界磁场与临界电流密度。
因此，超导态有三个临界条件：临界温度Tc，临界磁场Hc和临界电流密度jc，它们之间密切相关，我们可以用下面的三维相图表示它。
超导态的临界参数
(3)迈纳斯效应―完全抗磁性
零电阻是超导体的一个基本特性，但超导体的完全抗磁性更为基本。是否转变为超导态，必须综合这两种测量结果，才能予以确定。
如果将一超导体样品放入磁场中，由于样品的磁通量发生了变化，样品的表面产生感生电流，这电流将在样品内部产生磁场，完全抵消掉内部的外磁场，使超导体内部的磁场为零。根据公式和，由于超导体内部B=0，故?m=－1，所以超导体具有完全抗磁性。
超导体与理想导体在抗磁性上是不同的。若在临界温度以上把超导样品放入磁场中，这时样品处于正常态，样品中有磁场存在。当维持磁场不变而降低温度，使其处于超导状态时，在超导体表面也产生电流，这电流在样品内部产生的磁场抵消了原来的磁场，使导体内部的磁感应强度为零。超导体内部的磁场总为零，这一现象称为迈纳斯效应。
超导体的抗磁性可用下面的动画来演示，小球是用超导态的材料制成的，由于小球的抗磁性，小球被悬浮于空中，这就是所说的磁悬浮。
动画25.3.1 磁悬浮
下图是小磁铁悬浮在Ba-La-Cu-O超导体圆片（浸在液氮中）上方的照片。
(4)约瑟夫森效应
在两块超导体之间夹一很薄的绝缘层，就形成一个超导―绝缘―超导结（S-I-S结）称为约瑟夫森结。将超导体的表面氧化，在氧化层上再镀上超导材料就制成了约瑟夫森结。
1962年，英国牛津大学研究生约瑟夫森(B.D.Josphson)首先从理论上预言，电子对可以穿过两块超导金属间的绝缘层(1~3nm)，这一效应称为约瑟夫森效应，约瑟夫森因这方面的重要贡献，获得了1973年诺贝尔物理学奖。
Sn-SnOx-Sn结的电流和电压关系
约瑟夫森效应有直流和交流两种。当直流电通过约瑟夫森结时，只要电流小于临界电流Ic，结上电压为零，这时约瑟夫森结处于超导状态，有电流而无电压。当电流超过Ic时，结上即出现一个有限的电压，这时结的状态转变为正常态，过渡到正常电子的隧道效应。这种约瑟夫森结能够承载直流超导电流的现象称为直流约瑟夫森效应。临界电流一般在几十微安到几十毫安之间，下图为约瑟夫森结的I―V特性曲线。
如果在结上加一直流电压（电流大于临界电流），这时通过结有交频正弦电流出现，并辐射同样频率的电磁波，其频率与所施加的直流电压成正比，其关系式为
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超导磁悬浮实验及原理解释
超导磁悬浮视频
来源：科技小制作网 作者：皮蛋豆腐编辑 时间：
超导磁悬浮实验视频：
视频地址：
超导磁悬浮视频原理解释：
& &&&一开始画面中间位置出现的白色圆盘是用绝热材料制作的托盘， 托盘正中的黑色长方体是超导材料，托盘边缘放的亮晶晶的圆片是一片小磁铁。
& && &首先把磁铁放在超导材料上，没有任何反应，因为此时还在常温下，超导材料不具备超导电性质。
& && &然后向超导材料上倾倒液氮。超导材料可以分为高温超导体和低温超导体两种，所谓低温超导体，就是在液氦的温度下才具备超导性质。氦气在常压下的液化温度是4.12K，也就是差不多零下269摄氏度的低温。不要以为高温超导体需要多高的温度，它在液氮的温度，即77.36K，也就是大约零下196摄氏度的低温下才具备超导性质，高温只不过是相对而言。我猜这个实验应该用的是高温超导体，所以说用的是液氮。可以看到，液氮倾倒下去之后，“白烟”是凝结的水汽，“白霜”则是冰晶。
& && &然后把小磁体放在冷却过的超导材料上，这时超导材料达到了液氮的温度，进入超导态。磁铁在上面悬浮，是由于超导体所固有的一种叫“麦斯那效应”的性质，上海的磁悬浮列车就是利用这种效应制成的。可以让沉重的列车悬浮起来，可见力量之大。
& && &无论怎么拨弄，小磁铁总是悬浮在超导体上面，将磁铁拿开，超导材料也随着离开了保温托盘。可以这样通俗地理解：当小磁铁的位置发生改变时，由于“穿过”超导体的磁场发生了变化，超导体内部产生一个相应的反向磁场，阻碍磁铁的运动，保持二者的相对位置。由于超导体内部的电阻为零，所以这个“阻力”是非常大的。当然这个解释并不严谨，事实上磁场是不可能“穿过”超导体的，所以我在这个词上面打了引号。
& && &最后超导体被放在了托盘的边沿上，可以看到磁铁慢慢落了下来。这是因为托盘边沿上没有液氮，超导体的温度升高，超过了它的临界温度之后，就不再具备超导电性了，因此一切神奇的现象也就消失了。
& && &目前高温超导体还处在实验研究阶段，但低温超导体的实际应用已经有了很长时间了。上海的磁悬浮列车是一个例子，用于核聚变反应的托科马克装置也是一个例子，总之只要需要强大磁场的场合，总能看到超导材料的影子。
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22:30 上传
& && &这是一种超导电缆的结构。低温超导体的缺点是必须用蒸发液氦来冷却，而世界上99%的氦气资源来自美国，美国人操纵价格的原因，这又是一种不可再生的资源，因此液氦的价格十分昂贵，低温超导体的运行成本也就很高。
杜瓦.jpg (15.73 KB, 下载次数: 80)
22:30 上传
& && &上图是500升的装液氦的杜瓦罐，1罐的价格可能高达10万元，当然产地是美国。
加液氦3.jpg (15.56 KB, 下载次数: 85)
22:30 上传
& && &上图是给某种医用磁体充装液氦的场景，能看出低温造成的水汽和冰晶。由于液氦的温度大大低于空气的液化甚至凝固温度（空气的成分复杂，各成分的液化、凝固温度也不同），所以有时就不是水汽凝结这么简单，还能直接看到空气冷凝成的液滴滴落。
来源：科技小制作网
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本题难度：0.71&&题型：选择题
当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫做超导体．假如有室温环境中的超导体，不可用它来制作（　　）
A、电饭煲的电热丝B、电动机的线圈C、发电机的线圈D、输电导线
来源：学年山东省菏泽市定陶县九年级（上）期末物理试卷 | 【考点】超导体的特点．
（2015秋o姜堰区期末）当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种现象叫超导．常温下超导体的应用有着十分诱人的前景．下面的几个电路元件可用超导体制作的是（　　）
A、变阻器的电阻丝B、输电导线C、电炉的电热丝D、白炽灯泡的灯丝
当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种现象叫超导．常温超导体的应用有着十分诱人的前景．下面的几个电路元件可用超导体制作的是（　　）
A、电动机的线圈B、电阻箱的电阻丝C、电炉的电热丝D、白炽灯泡的灯丝
（2015秋o乐业县期中）导体的电阻是导体本身的一种性质，它的大小决定导体的材料、长度、&&&&；当温度降低到一定程度时，导体的电阻突然变为零，这种现象叫作&&&&．
当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种现象叫超导．常温下超导体的应用有着十分诱人的前景．下面的几个电路元件可用超导体制作的是（　　）
A、电阻箱的电阻丝B、电动机的线圈C、电炉的电热丝D、白炽灯泡的灯丝
（2012春o天长市校级期末）当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会等于零，这种现象叫超导现象．假如科学家能研究出室温下的超导体，你准备用它来制作：&&&&A、家用保险丝&&&&&B、灯丝&&&&C、电炉的电热丝&&&&D输电导线选择的理由：&&&&．
解析与答案
（揭秘难题真相，上）
习题“当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫做超导体．假如有室温环境中的超导体，不可用它来制作（　　）电饭煲的电热丝电动机的线圈发电机的线圈输电导线”的学库宝（/）教师分析与解答如下所示：
【分析】（1）超导体的电阻为零不会放热所以电能无法转化为内能．（2）超导体的电阻为零也就避免了有电流通过时的能量损耗．
【解答】解：电饭煲的电热丝是利用电流的热效应工作的工作时把所消耗的电能转化为内能．超导体的电阻为零不会放热所以电能无法转化为内能．故A符合题意而电动机线圈和发电机是利用电流的磁效应工作的．利用超导体工作的时候没有能量的损失．故BC不符合题意由于超导体的电阻为零所以在用超导体进行远距离输电时不会消耗电能产生热量减少了在输电过程中的能量损耗大大节约了能源．故D不符合题意故选A．
【考点】超导体的特点．
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知识点讲解
经过分析，习题“当温度降低到一定程度时，某些物质的电阻会变为零，这种物质叫做”主要考察你对
等考点的理解。
因为篇幅有限，只列出部分考点，详细请访问。
超导体的特点
当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁场，在超导体内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。这两个磁志抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，即超导体排斥体内的磁场。
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发表时间： 21:32
[图文] ***** 为 什 么 超 导 体 能 悬 浮 磁 体？***** [推荐] &&
ysf009 发表在
华声论坛 .cn/forum-148-1.html
　　荷兰莱顿大学的物理学家卡末林―昂内斯，1913年诺贝尔奖获得者。
　　什么是超导体？超导体是如何发现的？
　　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℃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。由于这一发现他获得了1913年诺贝尔奖。
　　为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从日始，到日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失。
　　为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K。1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。
　　超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。
　　1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质――当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
----------------------------------------------微斯人
回复时间： 21:35
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。
由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，
------便产生了一个向上的浮力（白雾是由于液氮对空气中的水蒸气冷却所致）
----------------------------------------------微斯人
回复时间： 21:36
　　完全抗磁（迈斯纳效应）―超导体最重要特征
　　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。这种效应被称为“迈斯纳效应”
　　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。
　　后来人们还做过这样一个实验，在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小磁性很强的永久磁铁，然后把温度降低，使锡出现超导性。这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起，与锡盘保持一定距离后，便悬空不动了。这是由于超导体“不允许”其内部有任何磁场，如果外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场，保证内部磁场强度为零。这就形成了一个斥力。当在一个超导体正下方放置一个磁体，并使磁感线垂直通过超导体的时候，超导体将获得垂直的上浮力。当这个力的大小刚好等于超导体的重力的时候，超导体就可以悬浮在空中。
　　迈斯纳效应指明了超导态是一个动态平衡状态，与如何进入超导态的途径无关，超导态的零电阻现象和迈斯纳效应是超导态的两个相互独立，又相互联系的基本属性。单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻和迈斯纳效应。
----------------------------------------------微斯人
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JR-Maglev MLX01从1970年代开始研发，并且在山梨县建造了五节车厢的实验车和轨道。
------日，最高速达到581km/h（361 mph），创下有车厢车辆的陆地极速。
超导线圈是磁悬浮列车的最关键设备之一，它使列车获得上浮、推进、导向力。
----------------------------------------------微斯人
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　　超导磁悬浮的重要应用――磁悬浮列车
　　磁悬浮列车由于具有安全性、稳定性、与环境适应性以及高速、适合大量运输等特点，被视为21世纪综合运输系统中最具发展前途的高科技运输手段之一。日本出于谋求国土经济均衡发展，以及通过超导磁悬浮技术的开发带动各相关产业发展的目的，自1962年起就开始了直线电机推动悬浮方式列车的预研制工作。至日，随着在日本山梨县境内进行的5节车辆时速500公里荷重270人分编组运行试验的成功，日本超导磁悬浮列车的基本研制计划已接近尾声，将可以转入商业性运营线路开发建设阶段。
　　超导线圈：超导线圈是磁悬浮列车的最关键设备之一，它使列车获得上浮、推进、导向力。日本使用的超导物质是将超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线，当此种超导电线浸入液氦(－269℃)中时进入超导状态产生强大磁场。这是世界上首次在实用运输设备上用超导技术实现可获得550公里稳定时速的大功率强磁线圈，其电压为22KV。
　　车载超低温冷冻系统：每一车载强磁单元上分别装有一台液氦及一台液氮压缩制冷机。液氦压缩机的作用是将由于外部热能及列车本身行驶时产生的热能逐渐气化了的氦气重新冷冻还原成液氦。液氮压缩制冷机的作用是将冷却超导线圈外部隔热板的液氮制冷剂重新冷却，保持－196℃低温液氮状态。MLX01型列车装备的压缩机为目前世界上体积最小、能力最强的节能型车载液氦及液氮压缩机，并且实现了连续工作1万小时无故障的纪录。使得列车运行时一次充氦(氮)以后无需再补充液氮或液氦。
----------------------------------------------微斯人
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1911年科学家发现了超导体的零电阻效应，1933年又发现了超导体的完全抗磁效应。
完全抗磁性是超导体磁悬浮的物理基础，由于超导体“不允许”其内部有任何磁场，
如果外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场，
----------------------------------保证内部磁场强度为零，这就形成了一个斥力。
日，日本超导磁悬浮列车最高速达到581km/h（361 mph），创下有车厢车辆的陆地极速。
----------------------------------------------微斯人}