霍爾效應(yīng)原理:
在一塊半導(dǎo)體單晶薄片的縱向兩端通以電流IH,此時(shí)半導(dǎo)體中的電子沿著和IH相反方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)放入垂直于半導(dǎo)體平面的磁場B中,則電子會(huì)受到磁場力FB的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)(即所謂勞侖茲力)使在薄片的一個(gè)橫端面上產(chǎn)生了電子積累,造成二個(gè)橫端面之間建立了電場,即產(chǎn)生了電場力FB,而起到阻止電子偏轉(zhuǎn)的作用。當(dāng)磁場力FB=電磁場力FE時(shí),電子的積累,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,就產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的霍爾電勢VR,這一現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng)。
永久磁鐵:
永久磁鐵是一種在去掉磁化場以后仍能對外保持磁場的磁性體,由具有高的矯頑力和剩磁的磁性材料構(gòu)成。永久磁鐵可以提供一種在一定范圍內(nèi)不受震動(dòng)和外界磁場影響的穩(wěn)定性高的磁場,具有體積小,不需要供電系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是:產(chǎn)生的磁場均勻性不高,磁場空間不夠大,在工作間隙中產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度也不高。
電磁鐵:
電磁鐵是一種能產(chǎn)生較高磁場的磁化裝置。從原理上講,它相當(dāng)于一個(gè)帶有空氣間隙的鐵心線圈。當(dāng)線圈通過電流之后,由于鐵心被磁化,在空氣間隙中便產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場。
脈沖磁場:
脈沖磁場是利用脈沖大電流通過螺線管或單根導(dǎo)線產(chǎn)生強(qiáng)磁場,其特點(diǎn)是功耗小。目前脈沖磁場在空間產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可高達(dá)100~1000T,但其持續(xù)時(shí)間短,只有幾秒、幾毫秒或幾微秒。
超導(dǎo)技術(shù)
1908年,荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室在翁內(nèi)斯的指導(dǎo)下,經(jīng)過長期努力后實(shí)現(xiàn)了氦氣的液化。當(dāng)時(shí),他們測定在一個(gè)大氣壓下氦的液化點(diǎn)是4.25K,使萊登實(shí)驗(yàn)室獲得了當(dāng)時(shí)世界上所能達(dá)到的最低溫度。
很舊以來人們已經(jīng)知道,金屬的電阻率隨溫度的降低而減小,所以翁內(nèi)斯決定研究一下在他們所達(dá)到的新低溫區(qū)內(nèi)金屬電阻變化的規(guī)律。翁內(nèi)斯根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)言,隨著溫度的降低,電阻率會(huì)平穩(wěn)地趨于零。由于真空蒸餾易于得到純汞,他們便進(jìn)一步選擇汞做試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn),在4.2K附近汞的電阻確實(shí)為零。人而出乎意料的是,當(dāng)溫度下降時(shí),汞的電阻先是平緩地減小,而在4.2K附近電阻突然降為零。翁內(nèi)斯在1913年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的講演中把這一奇怪的現(xiàn)象稱為新的電效應(yīng)。馬爾赫在1913年發(fā)表的論文中第一次用超導(dǎo)這個(gè)名詞。Conductivity是電導(dǎo)率之意,表示導(dǎo)電的程度,加上Super,意思是超級(jí)導(dǎo)電狀態(tài)。既然電阻在金屬與絕緣體之間的材料稱“半導(dǎo)體”,那么,超過金屬電導(dǎo)率的具有零電阻的材料以“超導(dǎo)體”表述是妥當(dāng)?shù)摹?/DIV>
用超導(dǎo)體(Superconductor)一詞表適當(dāng)冷卻到一定溫度以下時(shí)能表現(xiàn)出超導(dǎo)電性(Superconductivity)的材料。當(dāng)超導(dǎo)體顯示出超導(dǎo)電性時(shí),就說它處于超導(dǎo)態(tài),否則說它處于正常態(tài)?,F(xiàn)在我們知道,有些在正常態(tài)時(shí)具有很大電阻率的不純的金屬是超導(dǎo)體,而鉑、銅、金、銀等在直到目前所能達(dá)到的最低溫度下尚未表現(xiàn)出是超導(dǎo)體。
超導(dǎo)磁體的優(yōu)點(diǎn)
與常規(guī)磁體比較有下列優(yōu)點(diǎn):
· 可在大的空間內(nèi)獲得較強(qiáng)磁場。
· 磁場的均勻性好。
· 磁場的穩(wěn)定性好。
· 節(jié)約能源。
· 重量輕,體積小。
· 成本低。
盡管超導(dǎo)磁體在各種應(yīng)用中的要求不同,但都有一些共同之處。一個(gè)超導(dǎo)磁體的建成和投入運(yùn)行,總先要根據(jù)具體應(yīng)用的要求,例如場強(qiáng)、電流密度、穩(wěn)定性以及各種特殊要求等,去選擇磁體的形狀和超導(dǎo)材料的形式和性能。超導(dǎo)磁體的形狀主要有螺線管型、跑道型、馬鞍型和環(huán)形等。
超導(dǎo)線圈架所用的材料,一般有銅、黃銅、不銹鋼、鈦和鋁合金等,根據(jù)具體應(yīng)用要求選擇。設(shè)計(jì)線圈架的結(jié)構(gòu)形式時(shí),除考慮強(qiáng)度和重量外,還必須考慮線材的冷卻和散熱問題。為此,一般在線圈架兩端開有供液氦循環(huán)的孔,或在其內(nèi)壁上挖有扇形的槽溝。他們同時(shí)也可以作為繞線時(shí)引入超導(dǎo)線用,而且對繞線中途需要接線甚為方便。
超導(dǎo)在交通運(yùn)輸上的應(yīng)用
1825年9月,世界上第一條鐵路開始運(yùn)營時(shí),時(shí)速才13km/h,而70年后達(dá)到了102km/h。1979年12月21日,日本ML-500性超導(dǎo)磁浮列車在7km導(dǎo)軌上試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)速度達(dá)到517km/h,超導(dǎo)技術(shù)在鐵路運(yùn)輸工程上的應(yīng)用成功了!這標(biāo)志著大量應(yīng)用高新技術(shù)于鐵路運(yùn)輸事業(yè)并使其實(shí)現(xiàn)快速、安全、舒適要求的時(shí)代到來。
磁懸浮在列車上的應(yīng)用可以有三種方式。首先使用永久磁體懸浮的一般方法,即將永久磁體分別放在鐵軌上和固定在運(yùn)動(dòng)列車上,利用同極相斥原理將列車懸浮起來。第二種方法是利用列車上的電磁體與正對車上電磁體的疊層鐵芯連續(xù)軌道之間產(chǎn)生的吸引力來實(shí)現(xiàn)懸浮。很顯然,列車上的電磁體可以使常規(guī)的,也可以使超導(dǎo)的。超導(dǎo)磁體可產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場,懸浮力更大,懸浮間隙要大一些。第三種方法是用車載超導(dǎo)矩形環(huán)狀超導(dǎo)磁體在相對應(yīng)的軌道上的水平線圈陣列(或連續(xù)導(dǎo)電板)上產(chǎn)生渦流來實(shí)現(xiàn)磁懸浮。這種情況下的渦流是由于列車運(yùn)動(dòng)才產(chǎn)生的。當(dāng)列車達(dá)到一定速度時(shí)列車就懸浮起來了。
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