Способ бесконтактного вывешивания сверхпроводников

 

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к устройствам с использованием сверхпроводников. Предлагается способ бесконтактного вывешивания в магнитном поле сверхпроводников, имеющих малые значения нижнего критического поля. Изобретение направлено на увеличение удерживающей силы. Сущность изобретения заключается в том, что в левитирующем теле формируется пятно магнитного потока в виде вихрей Абрикосова, при этом ее магнитный момент взаимодействует с полем магнитной системы. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к устройствам с использованием сверхпроводников.

Известен способ бесконтактного удержания сверхпроводников, основанный на их идеальном диамагнетизме (эффект Мейснера) [1], при этом сверхпроводящее тело располагается над магнитом, поле которого, если оно меньше первого критического B_к1, будет выталкиваться из его объема, тем самым создавая силу, удерживающую сверхпроводник в бесконтактном положении. При этом величина поля магнита не должна превышать В_к1 сверхпроводника, и удельная удерживающая сила равна: Для реализации этого метода необходимы сверхпроводники с большим значением нижнего критического поля B_к1. В устройствах используются ниобий и его сплавы с B_к1 порядка 0,1 Тл, работающие при температуре жидкого гелия, что в большинстве случаев экономически не целесообразно.

Однако этот способ не позволяет получить большие значения удерживающей силы, в случае использования сверхпроводников с малыми значениями нижнего критического поля, к которым относятся высокотемпературные сверхпроводники с В_к1 ≈ 0,02 Тл, применение которых возможно при температурах жидкого азота.

Изобретение направлено на увеличение удерживающей силы.

Это достигается тем, что в левитирующем теле формируют локальную область с магнитным потоком в виде вихрей Абрикосова, при этом ее магнитный момент взаимодействует с полем магнитной системы, создающей эту область.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показано расположение левитирующего тела 1 в виде пластинки из сверхпроводника, относительно полюсов магнитной системы 2, создающий поле В. На фиг. 2 показан изгиб вихря Абрикосова 3 на угол α при смещении левитирующего тела 1 на расстояние Δz. На фиг. 3 показаны результаты экспериментальной проверки предлагаемого способа - зависимость силы взаимодействия F левитирующего тела с магнитной системой от смещения z при поле В = 0.13 Тл.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Сверхпроводящее тело 1 (фиг.1), например, в виде пластинки размещается между полюсами магнитной системы 2, поле которой величиной B>B_к1 создает в объеме тела область, где оно существует в виде вихрей Абрикосова [6]. При смещении пластины вниз под действием силы тяжести на расстояние Δz, запиннингованные вихри, смещающиеся вместе с кристаллической решеткой, будут изгибаться, оставаясь закрепленными. На фиг.2 показан изгиб вихря Абрикосова 3 при смещении левитирующего тела 1. При этом на единичный вихрь со стороны внешнего магнитного поля будет действовать момент силы [2] M = p_mBSinα, (2) а приложенная к нему сила будет равна: f = p_mBSinα/l≈2p_mBΔz/d², (3) где p_m - магнитный момент вихря, α - угол между направлением магнитного момента изогнутого вихря и полем, l - длина вихря, приближенно равная толщине пластины d.

В целом же на пятно магнитного потока будет действовать сила F= N₀f, где N₀= Φ/Φ₀ - число вихрей, Φ - магнитный поток, заключенный в объеме пятна, Φ₀ - квант магнитного потока.

Если вес тела меньше силы пиннинга всех вихрей, то это тело будет бесконтактно подвешено между полюсами магнита.

Сила пиннинга определяется как F_п=F₀·V_в, (4) где F₀ - объемная сила пиннинга, параметр, характеризующий данный сверхпроводник, который определяется кристаллической структурой и величиной магнитного поля (количеством вихрей); V_в - объем области, где существуют вихри.

Если вес тела P = ρ·V_т·g ((ρ - плотность сверхпроводника, V_т - объем тела, g - ускорение свободного падения), то условием левитации будет F_п ≥ P, т.е.

F₀·V≥ρ·V_т·g. (5) Принимая, например, что объем V_в занимает половину V_т, получаем
F₀≥2ρ·g. (6)
Так как F₀= j_kВ, где j_k - критический ток, то (6) можно представить в виде
j_kB≥2ρ·g. (7)
Характерные значения p для высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) 5000- 6000 кг/м³, тогда F₀ должно превышать значение (1-1,2)·10⁵ H/м³. Это значит, что при поле 0,1 Тл критический ток сверхпроводника должен быть порядка 10⁶ А/м². В настоящее время известны ВТСП, имеющие значения критического тока 10⁸ - 10⁹ А/м² [3-4], что позволяет выполнить условие левитации.

Для проверки предлагаемого способа на установке, описанной в [5], были проведены эксперименты по бесконтактному вывешиванию пробного тела в виде пластинки с размерами (20х5х1,5)мм³ и массой 0,78·10^-3 кг из сверхпроводника Y-Ba-Cu-O, имеющего следующие параметры: начало и конец сверхпроводящего перехода соответственно 93 и 82К, плотность 5,2 г/см³. Эксперимент проводился в газообразном азоте при температуре ≈ 78 К. Была обнаружена устойчивая левитация тела в поле 0.13 Тл.

Кроме того проведены измерения силы F, возникающей при смещении сверхпроводящего тела в рассматриваемой выше ситуации. Полученная зависимость силы взаимодействия сверхпроводника с магнитной системой F от смещения z при значении поля В= 0,13 Тл представлена на фиг.3. Как видно, с ростом смещения сила F быстро возрастает и при z > 0,7 мм достигает значения 19·10^-3Н. Такая величина силы позволяет выполнить условие левитации для тела массой ≅ 1,9·10^-3 кг. Таким образом, удерживающая сила в данной экспериментальной ситуации превышает вес тела в 2,4 раза.

Оценим величину удерживающей силы для используемого пробного тела, вывешиваемого с помощью известного (основанного на эффекте Мейснера) способа. Из формулы (1) максимально возможная удерживающая сила f, действующая на единицу поверхности сверхпроводника, для B_k1= 0.02 Тл равна 0.9 H/м². При площади, большей грани пластинки 1 · 10^-4 м², получаем величину удерживающей силы 0.9 · 10^-4H, что меньше, чем в предлагаемом нами способе.

Источники информации
1. Ковалев В.П. Опоры и подвесы гироскопических устройств. - М.: Машиностроение, 1970. - 286 с.

2. Иродов И. Е. Основные законы электромагнетизма. - М.: Высшая школа, 1983.- 279 с.

3. Свистунов В.М., Таренко В.Ю., Дьяченко А.И. и др. О природе большого критического тока в текстурированных металлооксидах иттрия. //ЖЭТФ. - 1991. - 100, N 6.- С. 1945-1950.

4. Quincey P.G. Working with ceramic superconducting materials: process and problems. // Meas. Sci. and Tehnol. 1990.- N 9. - Р.710-715.

5. Голев И.М., Андреева Н.А., Милошенко В.Б. Установка для исследования динамики магнитного потока в сверхпроводниках механическим методом. //Приборы и техника эксперимента. - 1998. -N 5.- С.161-163.

6. Чечерников В.И. Магнитные измерения, Издательство Московского Университета, 1963, стр. 24.

Формула изобретения

Способ бесконтактного вывешивания сверхпроводников в магнитном поле, отличающийся тем, что в левитирующем теле формируют локальную область с магнитным потоком в виде вихрей Абрикосова, при этом ее магнитный момент взаимодействует с полем магнитной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3