超导磁悬浮磁滞现象的动态理论研究

郑州大学毕业设计（论文）题目：超导磁悬浮磁滞现象的动态理论研究指导教师：李平林职称：教授学生姓名：胡素磊学号：20072200114专业：物理学院（系）：物理工程学院完成时间：2011年5月20日2011年6月1日2超导磁悬浮磁滞现象的动态理论研究摘要本文从磁通量子在变化外磁场中成核、穿透、钉扎并排出的角度，研究了二类超导体磁悬浮系统的磁滞现象，认为超导悬浮力来源于表面迈斯纳抗磁电流，和单个磁通量子涡旋分别与外场相互作用，并证明了涡旋密度梯度等效电流和外场的相互作用，本质上，就是所有磁通量子涡旋和外场相互作用的总和，而磁通涡旋从表面穿透和排出过程的不对称，和由于超导体不同几何形状所导致的几何势垒引起的的不可逆性，以及磁通涡旋在超导体内部运动耗散的能量，导致了二类超导体在变化外磁场中的磁滞现象，其中后者占据的比重远大于前者，进而精确计算了在永磁体产生的高度不均匀的变化外磁场中的悬浮力，得到了与实验相符的结果，为理解二类超导磁滞现象，更好地应用高温超导体提供了新的视角和基础。关键词：二类超导，悬浮，涡旋，磁滞DynamicTheoreticalModelingonType-IISuperconductorLevitationHysteresisPhonomenonAbstractFromtheperspectiveoffluxquantumnucleation,penetration,pinning,anddischargedinachangingexternalmagneticfield,wesimulatedthedynamicresponseofTypeIIsuperconductors,specifically,type-IISuperconductormagneticlevitationsystemhysteresisphenomenon,intheprocessofapermanentmagnetclosetoandawayfromSuperconductor.Weshowedthattheoriginofsuperconductinglevitationforceisthat,thesurfaceMeissnercurrent,magneticfluxquantumvortexinteractionbetweenexternalmagneticfield,respectively.Andweprovedthatmacroscopiccurrentduetothevortexdensitygradientinteractingwiththeexternalmagneticfield,essentially,isequivalenttoallthefluxquantumvortexinteractingwiththeexternalmagneticfield.TheasymmetryduetotheBean-Livingstonsurfacebarrier,theirreversibilityduetothegeometricbarrierasaresultsofsuperconductordifferentgeometricshapes,intheprocessofthefluxvortexpenetrationandemissionfromthesurface,andtheenergydissipationduetofluxvortexmovementwithinthesuperconductor,resultsintheTypeIIsuperconductorslevitationhysteresisinthechangingexternalmagneticfield,amongwhich,thesignificanceofthelastoneismuchgreaterthantheformertwo.Andthenwecalculatedaccuratelythesuperconductorlevitationhysteresiscurvesubjectedtothehighlyinhomogeneousexternalmagneticfieldduetothecylindricalpermanentmagnet,whichisconsistentwiththeexperimentalresults.Ourresultsprovidesanewperspectiveandfoundationforunderstandingthetype-IISuperconductorlevitationhysteresisphonomenonandbetterapplicationofsuperconductor.Keywords:type-IISuperconductor,levitation,vortex,hysteresis3目录摘要...............................................................................................................................................................2目录...............................................................................................................................................................3I.引言...........................................................................................................................................................4II.理论推导...............................................................................................................................................51.永磁体产生的磁场.........................................................................................................................52.迈斯纳表面电流.............................................................................................................................63.理想二类超导涡旋的分布.............................................................................................................74.非理想二类超导涡旋的分布..........................................................................................................85.等效电流.......................................................................................................................................106.穿透场的前锋...............................................................................................................................127.场冷悬挂与侧向稳定性...............................................................................................................15III.结果与讨论.......................................................................................................................................16IV.参考文献...............................................................................................................................................21V.致谢.......................................................................................................................................................244I.引言只要存在一个平衡物体重力的作用力，便可以实现物体的漂浮或自由悬浮，漂浮可以由不同的方法获得(通过空气束，声压，电磁力)[1]，然而自由悬浮现象却更加奇特，对于这些悬浮技术，稳定性都是关键问题，而二类超导体-永磁体系统却可同时实现这两个功能[2]，尤其是铜氧高温超导体具有远高于常规超导体的临界转变温度，临界磁场，这些现象不论在学术上而且在技术应用上都是十分重要的，从实用的角度来看，超导体在磁体上方的漂浮对于高温超导材料的商业化是十分核心的问题[3][4]，如广泛用于磁轴承[5]，能量储存系统[6][7]，电力发动机[8]，磁悬浮列车[9]等等场合，而这些应用都有赖于人们对二类超导体在变化外磁场的响应有深入准确的理解和定量具体的描述，因此研究二类超导体在变化外磁场中的性质已经成为世界各国的超导科技工作者一个十分重要的研究领域，而超导磁滞现象更是其中的核心关键问题。从1957年二类超导体在理论上确定以来，经过五十年的发展，无论上实验探索，还是理论研究，都取得了丰硕的研究成果，在实验上,Moon[10]，Horoki[11]，Masato[12]和Boegler[13]等人详细研究了高温超导磁悬浮力的滞回特征，测量了悬浮超导体的竖直方向的悬浮力，并且展示出悬浮系统的几个主要的特性，这些测量结果被几个小组进一步研究，最后确定了悬浮力和垂直距离关系，发现准静态下运动速度对悬浮力的影响较小[14]，悬浮力随临界电流密度增大及随温度降低而增大[15]；在变化磁场中呈现磁滞现象[16]，以及受样品形状和大小[17,][18]，材料[19],[20],晶粒取向[21],[22]的影响。从理论的角度来说，在二类超导体中，由于外场以磁通量子的形式穿透超导体，有可能超导体内部的磁感应强度不为零，在真实的二类超导体中，当电流密度小于临界值的时候，这些穿透到超导体内的磁量子会被材料中的不均匀缺陷钉扎住，在这些条件下，当外磁场增大或减小的时候，这些磁能量向超导体的内部或外部移动直到磁通分布达到临界梯度，此时，电流密度达到最大值Jc[23]。惟象上讲，这种行为已经被Bean的临界态模型[24]和他的后来者[25]很好地描述，如Brandt[26]定性地证明如何由磁通线