способ бесконтактного вывешивания сверхпроводников

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.

Описание изобретения к патенту

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 при смещении левитирующего тела 1 на расстояние z. 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 z, 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_mBSin, (2)

а приложенная к нему сила будет равна:

f = p_mBSin/l2p_mBz/d², (3)

где p_m - магнитный момент вихря, - 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= /₀ - число вихрей, - магнитный поток, заключенный в объеме пятна, ₀ - 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=F₀V_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 = V_тg (( - плотность сверхпроводника, V_т - объем тела, g - ускорение свободного падения), то условием левитации будет F_п P, т.е.

F₀VV_тg. (5)

Принимая, например, что объем V_в занимает половину V_т, получаем

F₀2g. (6)

Так как F₀= j_kВ, где j_k - критический ток, то (6) можно представить в виде

j_kB2g. (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 0,7810^-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 1910^-3Н. Такая величина силы позволяет выполнить условие левитации для тела массой 1,910^-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.