莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，特別是涉及一種利用莫比烏斯帶單側(cè)性演示超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象以及同時(shí)利用超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象演示莫比烏斯帶單側(cè)性的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]莫比烏斯帶是高等數(shù)學(xué)拓?fù)鋵W(xué)的教學(xué)內(nèi)容。它是150多年前德國數(shù)學(xué)家莫比烏斯推出的一種拓展圖形。它將一根紙條剪斷，將一端扭轉(zhuǎn)180°后，與另一端重新粘貼成紙條圈。這樣使得普通具有兩個(gè)面(即雙側(cè)曲面)的紙帶變化為只有一個(gè)面，即單側(cè)曲面。一只小蟲可以爬遍整個(gè)曲面而不必跨過它的邊緣。這樣的帶具有奇異的特性，一些在平面上無法解決的問題，卻不可思議地在可以莫比烏斯帶上解決，它在生活和生產(chǎn)中已經(jīng)有了一些用途，為人們的日常生活和生產(chǎn)效率的提高發(fā)揮了積極的作用。但由于該內(nèi)容有些抽象，理工類大學(xué)生大部分對它聞所未聞，有聽說者也僅略知其外表，沒有深層次的了解，更無法對它的應(yīng)用和潛在的發(fā)展進(jìn)行思考和研宄，這大大限制了莫比烏斯帶進(jìn)一步在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。
[0003]超導(dǎo)磁懸浮是利用超導(dǎo)體的零電阻特性和邁斯納效應(yīng)將超導(dǎo)體懸浮在磁場中的現(xiàn)象。其原理是磁場可以部分穿過第二類超導(dǎo)體，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流會阻礙其內(nèi)磁場的變化，對于超導(dǎo)體，穿過超導(dǎo)體的磁場就不會改變。所以超導(dǎo)體既可以懸浮在磁鐵上方，也可以懸掛于磁鐵下方。以往的磁懸浮裝置只能演示其中一種特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對高校理工科學(xué)生對莫比烏斯帶單側(cè)性以及超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象認(rèn)識不足的現(xiàn)狀，提供一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，使學(xué)生形象地認(rèn)識莫比烏斯帶單側(cè)性以及超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象。
[0005]裝有超導(dǎo)體的小車懸浮于粘貼有磁鐵的莫比烏斯帶導(dǎo)軌上并可沿導(dǎo)軌運(yùn)行。從導(dǎo)軌水平處觀察，小車先位于導(dǎo)軌上方，運(yùn)行一周后，位于導(dǎo)軌下方，再運(yùn)行一周后回到原來位置。
[0006]小車連續(xù)地經(jīng)過了莫比烏斯帶導(dǎo)軌上每個(gè)位置，爬遍整個(gè)曲面而不必跨過它的邊緣，說明莫比烏斯帶是一個(gè)單側(cè)曲面，形象地展現(xiàn)了莫比烏斯帶的單側(cè)性。
[0007]小車既可以懸浮在磁鐵上方，也可以懸掛于磁鐵下方，說明了超導(dǎo)磁懸浮的特性。利用莫比烏斯帶的單側(cè)性特點(diǎn)，將其作為導(dǎo)軌，連續(xù)地演示超導(dǎo)磁懸浮的這一特性，加深觀察者對超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象的理解。
[0008]本發(fā)明莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置包括小車、導(dǎo)軌、固定環(huán)和支架，導(dǎo)軌固定在固定環(huán)中央，四根支架支撐固定環(huán)，小車放在導(dǎo)軌平面的任一位置。
[0009]所述導(dǎo)軌包括條形鐵質(zhì)基板和矩形塊狀磁鐵，條狀鐵質(zhì)基板扭轉(zhuǎn)180°后，兩頭連接構(gòu)成閉合圈，矩形塊狀磁鐵整齊排列四行粘貼在條狀鐵質(zhì)基板兩表面上，旁邊兩行磁鐵N極垂直于鐵質(zhì)基板向外，中間兩行磁鐵S極垂直于鐵質(zhì)基板向外。
[0010]所述的小車包括外殼、小車廂體、兩圓柱狀超導(dǎo)體和尼龍搭扣，小車廂體包括泡沫箱和泡沫箱蓋，泡沫箱頂面開有一圓孔，孔下部為圓筒，泡沫箱蓋有一凸起圓柱體，其直徑與箱頂面圓孔匹配，泡沫箱蓋置于泡沫箱上，凸起圓柱體插入箱頂面圓孔，超導(dǎo)體固定在泡沫箱的底面，小車廂體外罩以外殼，尼龍搭扣將外殼和小車廂體捆成一體。
[0011]所述的支架呈枝丫形，上部伸出四根分支架，頂端連接六角固定環(huán)，固定環(huán)平面垂直于導(dǎo)軌，導(dǎo)軌固定在固定環(huán)中央穿越而過，六角固定環(huán)的內(nèi)切圓半徑大于小車高度。
[0012]所述的超導(dǎo)體為釔鋇銅氧(YBa2Cu3Oh)材料。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:1、充分展示莫比烏斯帶基本性質(zhì)，一輛超導(dǎo)磁懸浮小車在莫比烏斯帶上行駛，爬遍整個(gè)曲面而不必跨過它的邊緣，從而使觀察者對之有深刻認(rèn)識；2、在展示莫比烏斯帶的同時(shí)，可觀察到超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象，并連續(xù)地演示小車可以懸浮在導(dǎo)軌上方和下方，加深觀察者對超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象的理解；3、演示形象生動，觀看人感受深刻；4、演示裝置結(jié)構(gòu)簡單，拆卸搬運(yùn)方便。
【附圖說明】
[0014]圖1是莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明的小車結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明的小車廂體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明的小車廂體結(jié)構(gòu)分解示意圖。
[0019]圖中:小車1、磁鐵2、導(dǎo)軌3、鐵質(zhì)基板4、六角固定環(huán)5、支架6、導(dǎo)軌第一行磁鐵7、導(dǎo)軌第二行磁鐵8、導(dǎo)軌第三行磁鐵9、導(dǎo)軌第四行磁鐵10、導(dǎo)軌背面第一行磁鐵11、小車外殼12、小車廂體13、尼龍搭扣14、泡沫箱15、泡沫箱蓋16、泡沫箱蓋圓柱17、泡沫箱孔18、泡沫箱圓筒19、超導(dǎo)體20。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述:
[0021]如圖1、2所示，莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置包括小車1、導(dǎo)軌3、六角固定環(huán)5和支架6，導(dǎo)軌3固定在固定環(huán)5中央，小車I放在導(dǎo)軌3平面的任一位置。所述的導(dǎo)軌3為寬8?1mm條狀鐵質(zhì)基板扭轉(zhuǎn)180°后，兩頭連接構(gòu)成閉合圈，寬2.0?2.5mm矩形塊狀磁鐵2排列四行粘貼在條狀鐵質(zhì)基板4上下兩平面上，旁邊兩行磁鐵N極垂直于鐵質(zhì)基板向外，中間兩行磁鐵S極垂直于鐵質(zhì)基板向外。
[0022]如圖3、4、5所示，小車I包括外殼12、小車廂體13、兩圓柱狀超導(dǎo)體釔鋇銅氧(YBa2Cu3CVx) 20和尼龍搭扣14，小車廂體13包括泡沫箱15和泡沫箱蓋16，泡沫箱15頂面開有一圓孔18，孔下部為圓筒19，泡沫箱蓋16中央有一凸起圓柱體17，其直徑與箱頂面圓孔18匹配，泡沫箱蓋16置于泡沫箱15上，凸起圓柱體17插入箱頂面圓孔18，超導(dǎo)體20固定在泡沫箱15的底面，小車廂體13置于外殼12內(nèi)，尼龍搭扣14將外殼12和小車廂體13捆成一體。
[0023]演示時(shí)，揭去小車外殼12，打開泡沫箱蓋16，經(jīng)泡沫箱頂面圓孔18注入液氮，等3?5分鐘，使泡沫箱15中的兩超導(dǎo)體(YBa2Cu3CVx) 20在液氮中充分冷卻，達(dá)到超導(dǎo)態(tài)后，蓋上泡沫箱蓋16，罩上小車外殼12，用尼龍搭扣14將由泡沫箱蓋16和泡沫箱15組成的小車廂體13與小車外殼12捆綁成一體。
[0024]將小車I放置在導(dǎo)軌3的任一位置上方I?2cm處，會感受到導(dǎo)軌對小車的斥力。用力定位小車1，反抗這一斥力，并將小車I保持一段時(shí)間。超導(dǎo)體釔鋇銅氧(YBa2Cu3Oh) 20屬于第二類超導(dǎo)體，磁感應(yīng)線可部分穿過第二類超導(dǎo)體，并分散在一個(gè)個(gè)磁通量子中，其周圍被超導(dǎo)態(tài)包圍。此后松開小車1，穿過超導(dǎo)體紀(jì)鋇銅氧(YBa2Cu307_x) 20的磁場就不再改變，小車I將懸浮在導(dǎo)軌3上。原因如下:如果超導(dǎo)體遠(yuǎn)離或靠近磁鐵，那么它當(dāng)中的磁通量會發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，以及超導(dǎo)體零電阻的特性，在超導(dǎo)體將出現(xiàn)很大的感應(yīng)電流，該電流在軌道外磁場所受的力將反抗小車遠(yuǎn)離或靠近磁鐵的運(yùn)動。
[0025]沿導(dǎo)軌3對小車I稍加推力，小車I便沿著導(dǎo)軌3向前運(yùn)動。
[0026]當(dāng)小車I行至軌道3另一面，呈倒掛前行時(shí)，由于泡沫箱15的頂面圓孔18下部為圓筒，高于內(nèi)部頂面，因此氮液不會從泡沫箱孔18中流出。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，其特征是利用莫比烏斯帶單側(cè)性演示超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象以及同時(shí)利用超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象演示莫比烏斯帶單側(cè)性，包括小車(1)、導(dǎo)軌(3)、六角固定環(huán)(5)和支架(6)，導(dǎo)軌(3)固定在六角固定環(huán)(5)中央，四根支架(6)支撐六角固定環(huán)(5)，小車(I)放在導(dǎo)軌(3)平面的任一位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，其特征在于所述的導(dǎo)軌(3)包括條形鐵質(zhì)基板(4)和矩形塊狀磁鐵(2)，條狀鐵質(zhì)基板(4)扭轉(zhuǎn)180°后，兩頭連接構(gòu)成閉合圈，矩形塊狀磁鐵(2)整齊排列四行粘貼在條狀鐵質(zhì)基板(4)兩表面上，旁邊兩行磁鐵N極垂直于鐵質(zhì)基板(4)向外，中間兩行磁鐵S極垂直于鐵質(zhì)基板(4)向外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，其特征在于所述的小車⑴包括外殼(12)、小車廂體(13)、兩圓柱狀超導(dǎo)體(20)和尼龍搭扣(14)，小車廂體(13)包括泡沫箱(15)和泡沫箱蓋(16)，泡沫箱(15)頂面開有一圓孔(18)，孔下部為圓筒(19)，泡沫箱蓋(16)有一凸起圓柱體(17)，其直徑與箱頂面圓孔(18)匹配，泡沫箱蓋(16)置于泡沫箱(15)上，凸起圓柱體(17)插入泡沫箱(15)頂面圓孔(18)，超導(dǎo)體(20)固定在泡沫箱(15)的底面，小車廂體(13)置于外殼(12)內(nèi)，尼龍搭扣(14)將外殼(12)和小車廂體(13)捆成一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，其特征在于所述的支架(6)呈枝丫形，上部伸出四根分支架，頂端連接六角固定環(huán)(5)，六角固定環(huán)(5)平面垂直于導(dǎo)軌(3)，導(dǎo)軌(3)固定在六角固定環(huán)(5)中央穿越而過，六角固定環(huán)(5)的內(nèi)切圓半徑大于小車(I)高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，其特征在于所述的超導(dǎo)體(20)為釔鋇銅氧(YBa2Cu3CVx)材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種莫比烏斯帶超導(dǎo)磁懸浮演示裝置，包括小車、導(dǎo)軌、固定環(huán)和支架，導(dǎo)軌包括扭轉(zhuǎn)180°后兩頭連接構(gòu)成閉合圈的條形鐵質(zhì)基板和整齊排列四行粘貼在其上下兩平面上的矩形塊狀磁鐵；小車包括外殼、泡沫箱和泡沫箱蓋組成的小車廂體和兩圓柱狀超導(dǎo)體，用液氮充分冷卻超導(dǎo)體后，小車可懸浮在導(dǎo)軌上方。稍加推力，小車可沿導(dǎo)軌運(yùn)行。從導(dǎo)軌水平處觀察，小車先位于導(dǎo)軌上方，運(yùn)行一周后，位于導(dǎo)軌下方，再運(yùn)行一周后回到原位。小車倒掛于導(dǎo)軌下方時(shí)，液氮不會流出。小車連續(xù)地經(jīng)過了莫比烏斯帶導(dǎo)軌上每個(gè)位置，說明莫比烏斯帶是一個(gè)單側(cè)曲面。小車既可以懸浮在磁鐵上方，也可以懸掛于磁鐵下方，說明了超導(dǎo)磁懸浮的特性。
【IPC分類】G09B23-04, G09B23-18
【公開號】CN104778878
【申請?zhí)枴緾N201410853518
【發(fā)明人】蔣衛(wèi)建, 張健, 顧智企
【申請人】浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2014年12月31日