超导磁悬浮小车的研究

康彬 沈悦 应佳莉 陈永强

（杭州师范大学，浙江 杭州 311121）

0 引言

1911年荷兰物理学家昂内斯发现金属汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到用当时的实验设备无法测量出来，他把汞的这一新状态称为超导态。超导现象自从发现以来，寻找具有更高临界温度超导体、理解其超导微观机理，一直是凝聚态物理研究的最重要方向之一。在过去的100多年中，已经有10位科学家凭着在超导方面的工作获得诺贝尔物理学奖。

超导材料进入超导态后，费米面附近的电子可以通过某种微观相互作用，形成所谓的库珀电子对，当电子以电子对形式运动时，可以“抵抗”晶格等对电子的散射，呈现零电阻行为。另一方面，超导体进入超导状态时，在表面会形成超导电流，从而维持体内磁感应强度为零的状态，这就是通常所谓的“迈斯纳”效应。零电阻行为和迈斯纳效应是确认超导转变的两个基本性质。超导体的迈斯纳效应，为磁悬浮列车的发展指明了一个重要研究方向。

磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统组成的新型交通工具。1922年德国工程师赫尔曼?肯佩尔第一次提出了电磁悬浮原理。超导小车由于悬浮在永磁体轨道上，所以运行时几乎没有阻力，它的这一特性使其可能成为未来高速、低能耗的交通首选。目前，磁悬浮列车可分为超导型和常导型两大类。从内部技术而言，两者在系统上存在着是利用磁斥力、还是利用磁吸力的区别；从外部表象而言，两者存在着速度上的区别：超导型磁悬浮列车最高时速可达500公里以上（高速轮轨列车的最高时速一般为300～350公里），在1000至1500公里的距离内堪与航空竞争；而常导型磁悬浮列车时速为400～500公里，它的中低速则比较适合于城市间的长距离快速运输。

本研究通过制作超导磁悬浮列车模型，让学生对超导磁悬浮有一个直观的体验。实验用的超导材料是高温铜氧化物超导体YBa2Cu3O7，它的超导临界温度达到90K左右，所以可以用液氮制冷来使其进入超导状态。在整个研究过程中，我们更进一步实现了超导磁悬浮车的自动运行和制动。

1 结果和讨论

首先，将高纯度（纯度大于 99.9%）的碳酸钡（BaCO3）、氧化钇（Y2O3）和氧化铜（CuO）按摩尔比称量好，然后放入球磨机研磨，研磨时间2小时。混合好后，将原料放入压力200kBar、温度880度的高压炉里进行烧结，烧结时间为5小时。化学反应方程式为4BaCO3+Y2O3+6CuO→2YBa2Cu3O7-x+4CO2+(6.5+x)O2。

样品烧好后我们敲下一小块，对其进行结构和物性的测试。其中样品结构通过x射线衍射方法确认；电阻采用四沿线法，在Quantum-Design公司的PPMS上测量；磁化率在Quantum-design公司的SQUID-VSM上测量。

x射线衍射结果画在图1a上，从图上可以看出，几乎所有的衍射峰都属于YBa2Cu3O7，除此之外，只有一点微小的杂质峰，这个结果说明我们制备的钇钡铜氧高温超导体相非常干净。对于其物性测量结果，电阻-温度曲线（图1b）和磁化率-温度曲线（图1c）在92K附近都有一个相变，对应于超导体的零电阻转变和抗磁效应，说明其超导温度高达92K。为了更好地分析YBa2Cu3O7的超导电性，我们对其超导屏蔽体积进行了计算，从图上可以看出，有场冷却下其超导体积分数百分比达到100%，从而说明我们的超导样品具有很好的抗磁特性，这为我们后面的超导磁悬浮打好了基础。

接下来，我们对超导样品进行了超导磁悬浮实验。将YBa2Cu3O7样品放入液氮进行冷却，5分钟后将它用镊子迅速夹出，放置在永磁体上，可以看出，其悬浮高度非常高，有3cm左右（如图2左所示），这跟我们前面的磁化率测量结果一致。在此基础上，我们用低温胶将其固定在我们的超导车底部中央，如图2右所示。为了达到较好的磁悬浮，我们的超导车采用铝箔制成，并在周围包上一层锡箔，防止后面液氮的泄露。

为了提供更好的磁悬浮现象，我们采用钕铁硼永磁体来排布我们的超导磁悬浮轨道。钕铁硼永磁体是我们目前已知的具有最大磁感应强度的永磁体，在附近可以提供0.5T的永久磁场。永磁体选择扁平的外形，一个正面为北极，一个正面为南极。为了将超导体约束在永磁体轨道上，我们的轨道由三排永磁体排列而成，其中外面两排朝上的正面为北极，中间一排朝上的正面为南极。最后超导小车在永磁体轨道上运行的示意图如图3所示。

为了控制超导小车的运行，我们设计了一种磁阻尼制动装置。其基本原理如图4所示，当永磁体相对于金属有一个运动时，在金属表面会感应出感应电流，感应电流与磁力线的切割运动会导致产生一个阻力，阻碍磁铁和金属的相对运动。一个基本的实例就是一块磁铁穿过铜管时，速度会大大降低。我们的超导小车就可以看成是一个金属，再提供一个旋转的磁铁时，就可以导致其产生磁阻尼。其中，当磁铁旋转方向和小车运动方向一致时，就可以给小车提供一个动力；而当磁铁旋转方向和小车运动方向相反时，就会感受到一个阻力。

2 总结

在本项研究中，我们合成了高质量的YBa2Cu3O7样品，其超导磁悬浮得到了验证。以此为基础，我们制备了磁悬浮小车模型，通过在钕铁硼永磁体铺成的轨道上运行，验证了超导磁悬浮的现象。最后，我们还制备了简单的磁阻尼动力装置，实现了超导磁悬浮小车的自动启动和制动。我们超导磁悬浮小车的研制成功，说明这个工作可以成为未来高等教育方面一个可以开设的课程，培养本科生的科研动手能力，并切实体验和认识超导磁悬浮这一有趣的物理现象。

［1］罗会仟.神奇的超导[J].北京：中国科学院高能物理研究所，2012(02)：1-3.

［2］谢晓.气垫导轨上的磁阻尼效应实验[J].吉林：东北师范大学，2005(11)：3-4.

［3］罗家运.超导百年发展历史回顾与展望[J].北京：中国科技新闻学会，2013：1-2.

［4］朱思华.YBCO超导体的制备及其物理性能研究[D].西安：陕西师范大学，2007.

［5］金建勋.高温超导材料与技术的发展及应用[N].成都：电子科技大学学报，2006.

［6］伍勇.超导物理基础[M].北京：北京大学出版社，1997.

［7］陈艳.超导技术发展现状[J].北京：科技资讯，2006(31):7-9.