超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置

張 強(qiáng)，黃凱特

（北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司，北京 100176）

超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置

張 強(qiáng)，黃凱特

（北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司，北京 100176）

超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置由磁塊、3個(gè)金屬環(huán)（銅、鋁和不銹鋼）和1個(gè)超導(dǎo)環(huán)以及導(dǎo)向管組成.除了傳統(tǒng)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置的展示內(nèi)容，該裝置還可以展示磁塊在超導(dǎo)環(huán)上的懸浮現(xiàn)象，磁塊在穿過金屬環(huán)和超導(dǎo)環(huán)時(shí)的受力情況不同.

超導(dǎo)；楞次定律；感應(yīng)電流；零電阻

1 傳統(tǒng)的楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置

傳統(tǒng)的楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置是由磁塊和3種金屬材料管組成.具體操作是讓磁塊在鋁、銅和不銹鋼管中自由下落.通過觀察磁塊下落速度快慢不同，來(lái)展示和認(rèn)識(shí)楞次定律，如圖1所示.

圖1 傳統(tǒng)的楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置

當(dāng)磁塊以相同高度自由下落時(shí)，初始磁通量的變化相同，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律

在閉合環(huán)路中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)相同.由于3種金屬管的電阻率不同［鐵（不銹鋼可以參考鐵）9.78×10－8Ω/m、鋁2.83×10－8Ω/m，銅1.75× 10－8Ω/m［1］］，3個(gè)金屬管（橫截面相同條件下）的電阻大小也不同.因此在3種金屬管中產(chǎn)生的感生電流大小也不相同，銅的最大，鋁的其次，而不銹鋼最小.感生電流的磁場(chǎng)也是不同的.感生電流磁場(chǎng)對(duì)磁塊的作用力銅管最大，不銹鋼管最小.因此出現(xiàn)了磁塊在銅管、鋁管和不銹鋼管中下落的速度不同，銅管中下落速度最慢.

2 超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)想如果有電阻率比銅還要小1個(gè)數(shù)量級(jí)以上的材料，那么磁塊在這種材料制成的管中下落，其速度將會(huì)越來(lái)越慢，最終速度降到零，靜止在某一位置.進(jìn)入20世紀(jì)后，這種材料已經(jīng)從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并且已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，它就是高溫超導(dǎo)材料.鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)導(dǎo)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用，用鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)導(dǎo)線制作的超導(dǎo)環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想的實(shí)驗(yàn).

2.1 磁塊自由下落實(shí)驗(yàn)

超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置主要由3個(gè)金屬環(huán)（銅、鋁和不銹鋼）和1個(gè)超導(dǎo)環(huán)組成.該裝置最重要的部件，是使用超導(dǎo)線材制作成的閉合回路——超導(dǎo)環(huán).

把超導(dǎo)環(huán)放在容器中，并和3個(gè)金屬環(huán)都平放在桌面上.向超導(dǎo)環(huán)容器中加入液氮，待超導(dǎo)環(huán)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后（以下實(shí)驗(yàn)敘述中，超導(dǎo)環(huán)都是處于超導(dǎo)態(tài)），開始實(shí)驗(yàn).

鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)材料的臨界溫度是110 K［2］，液氮的溫度是77 K，在液氮溫區(qū)該超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài).

讓磁塊依次在3個(gè)金屬環(huán)中自由下落，觀察到磁塊下落速度不同，在不銹鋼環(huán)中，磁塊接近完全自由下落，在鋁環(huán)中下落速度緩慢，而在銅環(huán)中下落速度最慢.這與圖1的實(shí)驗(yàn)裝置相似，只是用金屬環(huán)代替了金屬管.

當(dāng)讓磁塊在超導(dǎo)環(huán)中自由下落時(shí)，如圖2所示.當(dāng)磁塊下落到接近超導(dǎo)環(huán)的一定高度后，磁塊靜止在這一高度上，如圖3所示.

圖2 磁塊在超導(dǎo)環(huán)中下落實(shí)驗(yàn)

圖3 磁塊靜止在某一高度

2.2 導(dǎo)向管的作用

用透明的有機(jī)玻璃管作為導(dǎo)向管，不僅便于觀察，更重要的作用是約束磁塊的運(yùn)動(dòng).由于超導(dǎo)環(huán)不是理想的圓環(huán)，在磁塊自由下落過程中，在其中產(chǎn)生的感生電流的磁場(chǎng)也不完全幾何對(duì)稱，即沿著圓環(huán)軸向不完全對(duì)稱分布.即使超導(dǎo)環(huán)完全對(duì)稱，操作者在釋放磁塊時(shí)，也不可能保證磁塊完全沿超導(dǎo)環(huán)的幾何軸線下落.因此，如果沒有導(dǎo)向管的約束，圓柱形磁塊受到不均勻的磁場(chǎng)作用后，將會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這樣將達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

2.3 磁塊在超導(dǎo)環(huán)上懸浮分析

超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置展示了磁塊在超導(dǎo)環(huán)中自由下落過程中受到越來(lái)越強(qiáng)的阻礙作用，開始階段，重力大于阻力，磁塊做變加速下降運(yùn)動(dòng).當(dāng)阻力等于磁塊的重力，勻速下降，直到阻力大于重力后，磁塊減速下降.最終磁塊靜止在某一高度處，在這一高度處，感生電流磁場(chǎng)對(duì)磁塊的作用力與磁塊自身重力相平衡.

磁塊在超導(dǎo)環(huán)中自由下落所呈現(xiàn)出靜止在一定高度的現(xiàn)象，反映了處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體其電阻為零的特性.按照楞次定律，磁塊在磁場(chǎng)中下落時(shí)，將在超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生感應(yīng)電流.由于超導(dǎo)環(huán)電阻為零，因此所產(chǎn)生的感生電流不會(huì)消耗，總是存在.最終使得磁塊靜止在某一高度處.另外，磁塊在下落的過程中在超導(dǎo)環(huán)中所激發(fā)的感生電流的磁場(chǎng)十分強(qiáng)大.根據(jù)測(cè)量，超導(dǎo)環(huán)軸線上感生電流磁場(chǎng)的瞬間峰值可以達(dá)到幾十m T.

對(duì)于銅、鋁這些常規(guī)金屬導(dǎo)體，當(dāng)磁塊在這些導(dǎo)體管中下落時(shí)，按照楞次定律，也將在這些金屬環(huán)中產(chǎn)生感生電流.但由于金屬具有電阻，所產(chǎn)生的感生電流不斷地通過轉(zhuǎn)變成焦耳熱消耗掉了.通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，比較磁塊在金屬環(huán)和超導(dǎo)環(huán)中下落的現(xiàn)象，可以讓人們認(rèn)識(shí)到超導(dǎo)材料的零電阻特性.

2.4 磁棒插入金屬環(huán)實(shí)驗(yàn)

超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置的第2種操作是磁棒插入操作.具體操作：先把磁塊吸附在鐵棒上構(gòu)成磁棒，然后把磁棒依次插入3種金屬環(huán)和超導(dǎo)環(huán)中.操作者感受到在不銹鋼環(huán)中基本不受力，在鋁環(huán)和銅環(huán)中受到阻力，而在銅環(huán)中阻力最大.在插入過程中，無(wú)論是在金屬環(huán)的上部，還是穿過中線進(jìn)入下部，磁棒的受力情況總是相同的，都是受到阻力.在中學(xué)物理教學(xué)中，教師通常把這種現(xiàn)象簡(jiǎn)單稱為“來(lái)阻去留”，也就是感生電流磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)磁通量變化的阻礙作用通過磁棒的受力情況這一直觀力學(xué)效果展示出來(lái).

2.5 磁棒插入超導(dǎo)環(huán)實(shí)驗(yàn)

當(dāng)把磁棒插入超導(dǎo)環(huán)中，在超導(dǎo)環(huán)上部，操作者會(huì)感受到很大的阻力.其理由前面已經(jīng)論述.最令操作者驚奇的是當(dāng)磁棒越過超導(dǎo)環(huán)中線，進(jìn)入到超導(dǎo)環(huán)下部時(shí)，磁棒不是受到強(qiáng)大的阻力而是受到了強(qiáng)大的向下推力.很多物理教師在嘗試這一操作時(shí)，既感到驚奇，更感到不可理解.按照傳統(tǒng)楞次定律的表述，感生電流的磁場(chǎng)總是阻礙原磁場(chǎng)的變化.在常規(guī)金屬導(dǎo)體閉合回路中，無(wú)論插入還是穿出磁棒都受阻力，與楞次定律的表述完全符合.磁棒插入超導(dǎo)環(huán)時(shí)受到強(qiáng)大阻力，符合楞次定律的表述.而在穿出超導(dǎo)環(huán)時(shí)，卻受到很大的推力，與傳統(tǒng)的楞次定律表述不相符合.在超導(dǎo)環(huán)境下，楞次定律還是適用的.之所以會(huì)出現(xiàn)出乎意料的情況，是由于我們“習(xí)慣性”地把磁棒的受力情況視為楞次定律.這種分析方法對(duì)于金屬環(huán)是適用的，而且可以方便直觀地理解楞次定律.但這種分析方法有其局限性，在超導(dǎo)環(huán)的情況下則不適用.在磁棒插入超導(dǎo)環(huán)的過程中，超導(dǎo)環(huán)中的感應(yīng)電流逐漸增大.感應(yīng)電流的磁場(chǎng)對(duì)磁棒的斥力也逐漸增大.但由于超導(dǎo)環(huán)電阻為零，因此所產(chǎn)生的感生電流不會(huì)消耗，總是存在.當(dāng)磁棒穿過超導(dǎo)環(huán)后，根據(jù)楞次定律，這時(shí)也將在超導(dǎo)環(huán)中感生電流.而且新的感生電流的方向與原來(lái)的感生電流的方向相反，也比原來(lái)的感生電流小.因此，超導(dǎo)環(huán)中總的感生電流的方向與原來(lái)的感生電流的方向相同，但感生電流的大小有所減小.如果沒有原來(lái)的感生電流的存在（即對(duì)應(yīng)金屬環(huán)的情況），新的感生電流將對(duì)磁棒產(chǎn)生吸引作用，即會(huì)感受到阻力.但正是由于在超導(dǎo)環(huán)中原來(lái)的感生電流的存在，而且總的感生電流的方向與新的感生電流的方向相反，從而使得總的感生電流將對(duì)磁棒產(chǎn)生排斥作用，即會(huì)感覺到推力.

3 結(jié)束語(yǔ)

使用超導(dǎo)楞次定律實(shí)驗(yàn)裝置可以不受磁棒受力情況的表象的迷惑而更好地理解楞次定律的本質(zhì)，這將有助于更深入地體會(huì)和理解楞次定律.之前也有一些與超導(dǎo)環(huán)中的楞次定律有關(guān)的習(xí)題的探討，對(duì)這一過程的物理現(xiàn)象等進(jìn)行了理論上的分析和研究［3-4］.而這套實(shí)驗(yàn)裝置則能更好地理論聯(lián)系實(shí)際，直接研究這一實(shí)驗(yàn)過程.除此之外該實(shí)驗(yàn)裝置還可以演示超導(dǎo)磁懸浮和釘扎效應(yīng).該實(shí)驗(yàn)裝置提供了一款雙超導(dǎo)環(huán)類型.它既提供了裸超導(dǎo)環(huán)，還提供了由保溫材料包覆的超導(dǎo)環(huán).裸超導(dǎo)環(huán)讓學(xué)生可以直接看到超導(dǎo)材料，使得學(xué)生對(duì)超導(dǎo)既有理性認(rèn)識(shí)，又有感性認(rèn)識(shí).唯一缺憾的是這套裝置不還能定量測(cè)量.如果今后進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)磁塊在超導(dǎo)環(huán)中自由下落中所受到的阻力以及穿過超導(dǎo)環(huán)所受到推力能夠進(jìn)行測(cè)量就更加完美.

［1］ 常用金屬的電阻率［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.超越自由神奇的超導(dǎo)體［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：171.

［3］ 劉大華.對(duì)物理教科書中一道習(xí)題的拓展討論［J］.教學(xué)月刊：中學(xué)版（教學(xué)參考），2008（3）：30-32.

［4］ 趙凱華.磁單極子與超導(dǎo)線圈問題的困惑［J］.物理教學(xué)，2009，31（7）：2-4.

［責(zé)任編輯：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

張 強(qiáng)（1948－），男，北京人，副教授，學(xué)士，從事物理教學(xué)及超導(dǎo)方向的研究.