超導磁懸浮小車的研究

康彬 沈悅 應佳莉 陳永強

（杭州師范大學，浙江 杭州 311121）

0 引言

1911年荷蘭物理學家昂內斯發現金屬汞在溫度降至4.2K附近時突然進入一種新狀態，其電阻小到用當時的實驗設備無法測量出來，他把汞的這一新狀態稱為超導態。超導現象自從發現以來，尋找具有更高臨界溫度超導體、理解其超導微觀機理，一直是凝聚態物理研究的最重要方向之一。在過去的100多年中，已經有10位科學家憑著在超導方面的工作獲得諾貝爾物理學獎。

超導材料進入超導態后，費米面附近的電子可以通過某種微觀相互作用，形成所謂的庫珀電子對，當電子以電子對形式運動時，可以“抵抗”晶格等對電子的散射，呈現零電阻行為。另一方面，超導體進入超導狀態時，在表面會形成超導電流，從而維持體內磁感應強度為零的狀態，這就是通常所謂的“邁斯納”效應。零電阻行為和邁斯納效應是確認超導轉變的兩個基本性質。超導體的邁斯納效應，為磁懸浮列車的發展指明了一個重要研究方向。

磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統組成的新型交通工具。1922年德國工程師赫爾曼?肯佩爾第一次提出了電磁懸浮原理。超導小車由于懸浮在永磁體軌道上，所以運行時幾乎沒有阻力，它的這一特性使其可能成為未來高速、低能耗的交通首選。目前，磁懸浮列車可分為超導型和常導型兩大類。從內部技術而言，兩者在系統上存在著是利用磁斥力、還是利用磁吸力的區別；從外部表象而言，兩者存在著速度上的區別：超導型磁懸浮列車最高時速可達500公里以上（高速輪軌列車的最高時速一般為300～350公里），在1000至1500公里的距離內堪與航空競爭；而常導型磁懸浮列車時速為400～500公里，它的中低速則比較適合于城市間的長距離快速運輸。

本研究通過制作超導磁懸浮列車模型，讓學生對超導磁懸浮有一個直觀的體驗。實驗用的超導材料是高溫銅氧化物超導體YBa2Cu3O7，它的超導臨界溫度達到90K左右，所以可以用液氮制冷來使其進入超導狀態。在整個研究過程中，我們更進一步實現了超導磁懸浮車的自動運行和制動。

1 結果和討論

首先，將高純度（純度大于 99.9%）的碳酸鋇（BaCO3）、氧化釔（Y2O3）和氧化銅（CuO）按摩爾比稱量好，然后放入球磨機研磨，研磨時間2小時。混合好后，將原料放入壓力200kBar、溫度880度的高壓爐里進行燒結，燒結時間為5小時。化學反應方程式為4BaCO3+Y2O3+6CuO→2YBa2Cu3O7-x+4CO2+(6.5+x)O2。

樣品燒好后我們敲下一小塊，對其進行結構和物性的測試。其中樣品結構通過x射線衍射方法確認；電阻采用四沿線法，在Quantum-Design公司的PPMS上測量；磁化率在Quantum-design公司的SQUID-VSM上測量。

x射線衍射結果畫在圖1a上，從圖上可以看出，幾乎所有的衍射峰都屬于YBa2Cu3O7，除此之外，只有一點微小的雜質峰，這個結果說明我們制備的釔鋇銅氧高溫超導體相非常干凈。對于其物性測量結果，電阻-溫度曲線（圖1b）和磁化率-溫度曲線（圖1c）在92K附近都有一個相變，對應于超導體的零電阻轉變和抗磁效應，說明其超導溫度高達92K。為了更好地分析YBa2Cu3O7的超導電性，我們對其超導屏蔽體積進行了計算，從圖上可以看出，有場冷卻下其超導體積分數百分比達到100%，從而說明我們的超導樣品具有很好的抗磁特性，這為我們后面的超導磁懸浮打好了基礎。

接下來，我們對超導樣品進行了超導磁懸浮實驗。將YBa2Cu3O7樣品放入液氮進行冷卻，5分鐘后將它用鑷子迅速夾出，放置在永磁體上，可以看出，其懸浮高度非常高，有3cm左右（如圖2左所示），這跟我們前面的磁化率測量結果一致。在此基礎上，我們用低溫膠將其固定在我們的超導車底部中央，如圖2右所示。為了達到較好的磁懸浮，我們的超導車采用鋁箔制成，并在周圍包上一層錫箔，防止后面液氮的泄露。

為了提供更好的磁懸浮現象，我們采用釹鐵硼永磁體來排布我們的超導磁懸浮軌道。釹鐵硼永磁體是我們目前已知的具有最大磁感應強度的永磁體，在附近可以提供0.5T的永久磁場。永磁體選擇扁平的外形，一個正面為北極，一個正面為南極。為了將超導體約束在永磁體軌道上，我們的軌道由三排永磁體排列而成，其中外面兩排朝上的正面為北極，中間一排朝上的正面為南極。最后超導小車在永磁體軌道上運行的示意圖如圖3所示。

為了控制超導小車的運行，我們設計了一種磁阻尼制動裝置。其基本原理如圖4所示，當永磁體相對于金屬有一個運動時，在金屬表面會感應出感應電流，感應電流與磁力線的切割運動會導致產生一個阻力，阻礙磁鐵和金屬的相對運動。一個基本的實例就是一塊磁鐵穿過銅管時，速度會大大降低。我們的超導小車就可以看成是一個金屬，再提供一個旋轉的磁鐵時，就可以導致其產生磁阻尼。其中，當磁鐵旋轉方向和小車運動方向一致時，就可以給小車提供一個動力；而當磁鐵旋轉方向和小車運動方向相反時，就會感受到一個阻力。

2 總結

在本項研究中，我們合成了高質量的YBa2Cu3O7樣品，其超導磁懸浮得到了驗證。以此為基礎，我們制備了磁懸浮小車模型，通過在釹鐵硼永磁體鋪成的軌道上運行，驗證了超導磁懸浮的現象。最后，我們還制備了簡單的磁阻尼動力裝置，實現了超導磁懸浮小車的自動啟動和制動。我們超導磁懸浮小車的研制成功，說明這個工作可以成為未來高等教育方面一個可以開設的課程，培養本科生的科研動手能力，并切實體驗和認識超導磁懸浮這一有趣的物理現象。

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