北大普通物理综合实验课件6磁悬浮力的测量

磁悬浮力的测量综合物理实验报告报告内容简介实验选题实验原理实验装置实验步骤实验数据结果分析致谢实验选题背景介绍：磁悬浮列车的兴起磁悬浮列车原理悬浮力来源转向力来源推进力来源高温超导体在磁悬浮列车上应用传统使用电磁线圈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（Superconductingmagnet）某些超导转变温度在液氮温度（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（Permanentmagnet）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YBCO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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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，我们试图验证磁通模型。实验原理磁悬浮力的产生超导电流在磁场下受Lorentz力由Zeldov模型理论计算不同充磁强度下的磁悬浮力正弦运动)ln()(00JJUJUc测量流程图实验装置SourceMeter压力传感器数字磁强计YBCO样品块永久磁体装置台传动装置驱动装置DataAcquisitionSystem实际装置图SourceMeterKeithleyInstruments2400Introduction:SourceVoltage:from5uVto210VResolutionLimiting:5uVMaximumSourcePower:22W压力传感器BK-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主要技术指标: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000053998400139961079937998799215119911199511988201598815992159852519985199881998130239772397823977数字磁强计规格：LX-H-2型数字磁强计使用2T挡零点校准：2894YBCO样品圆柱体底面直径：30.68mm高：19.86mm永久磁体永久磁体的材料为钕铁硼NdFeB中科院三环公司生产圆柱体,表面磁感强度0.5T底面直径：30.00mm高：15，20，25，30mm装置台与压力传感器固连在一起的底座盛放液氮的外部容器固定YBCO样品块的样品座有机玻璃管装置台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,则物块以相同的圆频率在竖直方向上作正弦运动驱动装置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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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8255控制电路电机控制装置8255驱动电源驱动程序基于8255A口方式1控制输出地址：1B0H~1B3HC口确定LS245方向手动转轮控制由绕线机改装而成DataAcquisitionSystemKeithleyInstruments2700Introduction:MeasurementVoltage:from0.1uVto1000VResolutionLimiting:0.1uVIEEE-488GPIBPCI-488ComputerLabviewSystem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Labview（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。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。Labview是图形化的程序语言，又称为“Ｇ”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。所有的Labview应用程序，即虚拟仪器（VI），都包括前面板（frontpanel）、流程图（blockdiagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。实验步骤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。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，可预先少放液氮在装置盒内）。实验步骤超导充磁1.零场冷却，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，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SourceMeter输出恒压12V，建立压力传感器数据连接。运行Labview程序，获得液氮挥发曲线作为数据修正使用。正式测量，获取3~4个周期的数据。处理数据（Orgin6.1）实验数据永磁体之间的作用超导体与永磁体之间的作用永磁体准静态接近F-z15mm~20mm永磁体准静态接近F-z30mm~20mmSCMZeroField-coolingF-t未修正30mmPMT=60sZfrom5cm~15cmTotaltime2minutesSCMZeroField-coolingSCMZeroField-cooling为了修正液氮挥发测量了无其他作用时的F-tSCMZeroField-coolingSCMZeroField-coolingLinearRegressionforData:Y=A+B*XParameterValueError------------------------------------------------------------A-0.467353.89058E-4B-7.18687E-45.60856E-6------------------------------------------------------------RSDNP-------------------------------------------------------------0.982270.004766000.0001------------------------------------------------------------SCMZeroField-coolingF-t修正后SCMZeroField-coolingF-z修正后SCMZeroField-coolingF-t未修正15mmPMT=60sZfrom3cm~13cmTotaltime5minutesSCMZeroField-coolingSCMZeroField-coolingF-t修正后SCMZeroField-coolingF-z修正后SCMField-coolingF-t未修正30mmPMT=60sZfrom7cm~17cmTotaltime4minutes充磁磁场磁感应强度B=0.1868TSCMField-coolingSCMField-coolingF-t修正后SCMField-coolingF-z修正后SCMField-coolingF-t未修正30mmPMT=60sZfrom5cm~15cmTotaltime200secondsSCMField-coolingSCMField-coolingF-t修正后SCMField-coolingF-z修正后结果分析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121//2eezzzzFAA结果分析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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ZFC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。实验总结我们本期所做的工作主要有：阅读文献，理论学习了主要包括磁通动力学相关知识。独立搭建了一套测量磁悬浮力的实验装置。学习了电机控制，Labview数据采集系统，机械加工等实际知识。从实验上实现了动态测量磁悬浮力得到了定性和定量的结果。实验总结下面要做的工作：实现电机精确控制位移测量。改进充磁手段，利用脉冲电磁线圈得到更大的剩余磁场。继续分析数据，与理论模型作进一步研究。设法从理论和实验两方面来研究自由磁悬浮的性质。