超导楞次定律实验装置

张 强，黄凯特

（北京英纳超导技术有限公司，北京 100176）

超导楞次定律实验装置

张 强，黄凯特

（北京英纳超导技术有限公司，北京 100176）

超导楞次定律实验装置由磁块、3个金属环（铜、铝和不锈钢）和1个超导环以及导向管组成.除了传统楞次定律实验装置的展示内容，该装置还可以展示磁块在超导环上的悬浮现象，磁块在穿过金属环和超导环时的受力情况不同.

超导；楞次定律；感应电流；零电阻

1 传统的楞次定律实验装置

传统的楞次定律实验装置是由磁块和3种金属材料管组成.具体操作是让磁块在铝、铜和不锈钢管中自由下落.通过观察磁块下落速度快慢不同，来展示和认识楞次定律，如图1所示.

图1 传统的楞次定律实验装置

当磁块以相同高度自由下落时，初始磁通量的变化相同，根据法拉第电磁感应定律

在闭合环路中产生的感生电动势相同.由于3种金属管的电阻率不同［铁（不锈钢可以参考铁）9.78×10－8Ω/m、铝2.83×10－8Ω/m，铜1.75× 10－8Ω/m［1］］，3个金属管（横截面相同条件下）的电阻大小也不同.因此在3种金属管中产生的感生电流大小也不相同，铜的最大，铝的其次，而不锈钢最小.感生电流的磁场也是不同的.感生电流磁场对磁块的作用力铜管最大，不锈钢管最小.因此出现了磁块在铜管、铝管和不锈钢管中下落的速度不同，铜管中下落速度最慢.

2 超导楞次定律实验装置

设想如果有电阻率比铜还要小1个数量级以上的材料，那么磁块在这种材料制成的管中下落，其速度将会越来越慢，最终速度降到零，静止在某一位置.进入20世纪后，这种材料已经从设想变为现实，并且已经从实验室走向市场，它就是高温超导材料.铋锶钙铜氧超导导线已经实现了工业应用，用铋锶钙铜氧超导导线制作的超导环，可以实现上述设想的实验.

2.1 磁块自由下落实验

超导楞次定律实验装置主要由3个金属环（铜、铝和不锈钢）和1个超导环组成.该装置最重要的部件，是使用超导线材制作成的闭合回路——超导环.

把超导环放在容器中，并和3个金属环都平放在桌面上.向超导环容器中加入液氮，待超导环进入超导态后（以下实验叙述中，超导环都是处于超导态），开始实验.

铋锶钙铜氧超导材料的临界温度是110 K［2］，液氮的温度是77 K，在液氮温区该超导体进入超导态.

让磁块依次在3个金属环中自由下落，观察到磁块下落速度不同，在不锈钢环中，磁块接近完全自由下落，在铝环中下落速度缓慢，而在铜环中下落速度最慢.这与图1的实验装置相似，只是用金属环代替了金属管.

当让磁块在超导环中自由下落时，如图2所示.当磁块下落到接近超导环的一定高度后，磁块静止在这一高度上，如图3所示.

图2 磁块在超导环中下落实验

图3 磁块静止在某一高度

2.2 导向管的作用

用透明的有机玻璃管作为导向管，不仅便于观察，更重要的作用是约束磁块的运动.由于超导环不是理想的圆环，在磁块自由下落过程中，在其中产生的感生电流的磁场也不完全几何对称，即沿着圆环轴向不完全对称分布.即使超导环完全对称，操作者在释放磁块时，也不可能保证磁块完全沿超导环的几何轴线下落.因此，如果没有导向管的约束，圆柱形磁块受到不均匀的磁场作用后，将会发生翻转，这样将达不到实验目的.

2.3 磁块在超导环上悬浮分析

超导楞次定律实验装置展示了磁块在超导环中自由下落过程中受到越来越强的阻碍作用，开始阶段，重力大于阻力，磁块做变加速下降运动.当阻力等于磁块的重力，匀速下降，直到阻力大于重力后，磁块减速下降.最终磁块静止在某一高度处，在这一高度处，感生电流磁场对磁块的作用力与磁块自身重力相平衡.

磁块在超导环中自由下落所呈现出静止在一定高度的现象，反映了处于超导态的超导体其电阻为零的特性.按照楞次定律，磁块在磁场中下落时，将在超导环中产生感应电流.由于超导环电阻为零，因此所产生的感生电流不会消耗，总是存在.最终使得磁块静止在某一高度处.另外，磁块在下落的过程中在超导环中所激发的感生电流的磁场十分强大.根据测量，超导环轴线上感生电流磁场的瞬间峰值可以达到几十m T.

对于铜、铝这些常规金属导体，当磁块在这些导体管中下落时，按照楞次定律，也将在这些金属环中产生感生电流.但由于金属具有电阻，所产生的感生电流不断地通过转变成焦耳热消耗掉了.通过这个实验，比较磁块在金属环和超导环中下落的现象，可以让人们认识到超导材料的零电阻特性.

2.4 磁棒插入金属环实验

超导楞次定律实验装置的第2种操作是磁棒插入操作.具体操作：先把磁块吸附在铁棒上构成磁棒，然后把磁棒依次插入3种金属环和超导环中.操作者感受到在不锈钢环中基本不受力，在铝环和铜环中受到阻力，而在铜环中阻力最大.在插入过程中，无论是在金属环的上部，还是穿过中线进入下部，磁棒的受力情况总是相同的，都是受到阻力.在中学物理教学中，教师通常把这种现象简单称为“来阻去留”，也就是感生电流磁场对原磁场磁通量变化的阻碍作用通过磁棒的受力情况这一直观力学效果展示出来.

2.5 磁棒插入超导环实验

当把磁棒插入超导环中，在超导环上部，操作者会感受到很大的阻力.其理由前面已经论述.最令操作者惊奇的是当磁棒越过超导环中线，进入到超导环下部时，磁棒不是受到强大的阻力而是受到了强大的向下推力.很多物理教师在尝试这一操作时，既感到惊奇，更感到不可理解.按照传统楞次定律的表述，感生电流的磁场总是阻碍原磁场的变化.在常规金属导体闭合回路中，无论插入还是穿出磁棒都受阻力，与楞次定律的表述完全符合.磁棒插入超导环时受到强大阻力，符合楞次定律的表述.而在穿出超导环时，却受到很大的推力，与传统的楞次定律表述不相符合.在超导环境下，楞次定律还是适用的.之所以会出现出乎意料的情况，是由于我们“习惯性”地把磁棒的受力情况视为楞次定律.这种分析方法对于金属环是适用的，而且可以方便直观地理解楞次定律.但这种分析方法有其局限性，在超导环的情况下则不适用.在磁棒插入超导环的过程中，超导环中的感应电流逐渐增大.感应电流的磁场对磁棒的斥力也逐渐增大.但由于超导环电阻为零，因此所产生的感生电流不会消耗，总是存在.当磁棒穿过超导环后，根据楞次定律，这时也将在超导环中感生电流.而且新的感生电流的方向与原来的感生电流的方向相反，也比原来的感生电流小.因此，超导环中总的感生电流的方向与原来的感生电流的方向相同，但感生电流的大小有所减小.如果没有原来的感生电流的存在（即对应金属环的情况），新的感生电流将对磁棒产生吸引作用，即会感受到阻力.但正是由于在超导环中原来的感生电流的存在，而且总的感生电流的方向与新的感生电流的方向相反，从而使得总的感生电流将对磁棒产生排斥作用，即会感觉到推力.

3 结束语

使用超导楞次定律实验装置可以不受磁棒受力情况的表象的迷惑而更好地理解楞次定律的本质，这将有助于更深入地体会和理解楞次定律.之前也有一些与超导环中的楞次定律有关的习题的探讨，对这一过程的物理现象等进行了理论上的分析和研究［3-4］.而这套实验装置则能更好地理论联系实际，直接研究这一实验过程.除此之外该实验装置还可以演示超导磁悬浮和钉扎效应.该实验装置提供了一款双超导环类型.它既提供了裸超导环，还提供了由保温材料包覆的超导环.裸超导环让学生可以直接看到超导材料，使得学生对超导既有理性认识，又有感性认识.唯一缺憾的是这套装置不还能定量测量.如果今后进行改进，对磁块在超导环中自由下落中所受到的阻力以及穿过超导环所受到推力能够进行测量就更加完美.

［1］ 常用金属的电阻率［EB/OL］.http：//wenku.baidu.com/link？url＝VAl6x XxGgO2tvSYIPc M3 p4uPYz TIXu4UC＿9ff7y VJ4iQCdxn V0zdaxpIF3z Ys-w69vog Nb VTKa9mv TWpCwGeAAxOKv AUM Kb-u3m8g EJcw Z7.

［2］ 章立源.超越自由神奇的超导体［M］.北京：科学出版社，2005：171.

［3］ 刘大华.对物理教科书中一道习题的拓展讨论［J］.教学月刊：中学版（教学参考），2008（3）：30-32.

［4］ 赵凯华.磁单极子与超导线圈问题的困惑［J］.物理教学，2009，31（7）：2-4.

［责任编辑：任德香］

Superconducting device for Lenz law experiment

ZHANG Qiang，HUANG Kai-te
（
Innova Superconductor Technology Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

The superconducting device for Lenz law experiment consisted of a magnetic block，three metal rings（copper，aluminum and stainless steel），a superconducting ring and a guiding tube.In addition to the conventional experimental content，this device could also demonstrate the levitation phenomenon of magnetic block over superconducting ring.The forces acting on the magnetic block were different when it passed through the metal rings from that when it passed through the superconducting ring.

superconducting；Lenz law；induced current；zero resistance

O441.4

A

1005-4642（2014）10-0012-03

2014-04-29；修改日期：2014-07-28

张 强（1948－），男，北京人，副教授，学士，从事物理教学及超导方向的研究.