磁场中激光牵引热解石墨的理论与实验研究

利用钕铁硼永磁体搭建了悬浮平台,抗磁性物质热解石墨片做悬浮物,在光热效应下,研究了激光牵引磁悬浮热解石墨的运动机制.从悬浮物受力公式出发,将其分为磁场与热场2部分影响,结合Matlab给出理论公式与实验方案,通过实验验证了理论的自洽性.使用COMSOL进行数值模拟,给出定位情况下的受力情况、磁场分布以及热场分布等.使用COMSOL建立了相关APP,可以得到磁铁序列的磁场分布、势场分布、热解石墨片的热场分布及其在磁场中任意位置的受力.     

抗磁和顺磁性材料在磁场中弱磁力实验测量

对抗磁性材料和顺磁性材料在强磁场中的弱磁力进行测量.利用设计的实验装置,成功测得抗磁性石墨片和顺磁性材料铝片在永磁铁阵列表面受到的弱磁力.研究证明弱磁力的大小与磁场及磁场梯度乘积成正比.     

水的抗磁性演示实验

利用磁铁作用于漂浮在水面的纸片和盛水气球,演示了水的抗磁性,并利用全反射研究了水的抗磁性与外磁场的关系.实验结果表明:当磁铁置于水面上方时,磁场作用区域的水面向下凹陷.磁场越强,水面的凹陷程度越大,水的抗磁现象越明显.     

从量子力学层面上认识,到大学物理层面上理解顺磁性和抗磁性

大学物理教科书中对物质磁性——顺磁性和抗磁性的机理描述不自洽.顺磁性用原子磁矩沿磁场方向的"倾倒"来解释,抗磁性用电子磁矩的"旋进"来解释.同样都是磁矩,为什么却有不同的行为呢?显然不能令人信服.本文将从量子力学角度给出两种磁性的来源,从中可以看出,顺磁和抗磁在量子力学的哈密顿量中正好是磁相互作用的展开项中的两项,这两项可以同时存在,也可以只有抗磁性,这取决于原子壳层的电子分布.在保持与量子力学一致的情况下,如何在大学物理层面上理解顺磁性和抗磁性?     

抗磁性物质稳定悬浮的仿真及实验

将四块永磁铁排列成对称磁场。利用静电场与静磁场相似的特点仿真静磁场,证明磁悬浮的可能性。设计并实现磁场中小石墨片稳定悬浮。     

利用精密扭秤测量铜与磁场的相互作用

利用精密扭秤测量了抗磁性物质铜与外磁场的相互作用，其基本思想是充分利用精密扭秤对弱力的高灵敏度，从而可极大地降低传统方法中对外磁场强度的要求．初步的实验结果证实了这一方法的可行性．     

抗磁材料磁悬浮的理论模拟

抗磁材料磁悬浮磁结构简单,有广泛的应用前景.本文研究了抗磁性材料在2×2永磁铁阵列表面附近的磁悬浮.用MATLAB模拟了H的z方向分量Hz及其导数.Hz和-Hz.Hz在距离永磁铁表面不同高度的二维分布.因为Fz=-χVHz.Hz,所以-Hz.Hz的分布能反映出抗磁材料在磁场中的受力情况.三维模拟和实验表明,抗磁材料在稳恒磁场中能稳定悬浮.我们还得到了抗磁材料悬浮高度和抗磁材料尺寸的关系.     

问题解答

问:反磁体是否是抗磁体?或者是磁绝缘体?或者磁对它只是沒有任何影响? 答:一般来说,抗磁性显著的物质(即起主要作用)叫抗磁体,或叫做逆磁体或反磁体。所谓抗磁性就是当加上磁场后,这类物质的磁矩取向正好和外加磁场的方向相反,也就是说,它的磁化率是负的。如果抗磁体处于非均匀磁场内,例如放在电磁铁磁极间,则它会向着磁场最弱处移动,这是因为该物质受到了由于磁场不均匀性而产生的力作用的缘故。     

横向静磁场对电磁悬浮液滴稳定性的影响

在利用电磁悬浮技术实现液滴悬浮的过程中,液滴内部往往存在剧烈对流、外部伴随快速旋转和质心的水平位移等不稳定因素;因此,实现液滴的稳定悬浮是完善电磁悬浮技术的关键.本文采用实验观测的方法,通过U形静磁场组件对液滴所在空间施加横向静磁场,利用高速相机记录了不同磁场强度下纯铜熔融液滴的振荡变形过程;分析了横向静磁场对悬浮铜液滴振荡频率、振幅以及旋转的影响.实验发现:对于熔融前的固态铜颗粒,若静磁场强度超过0.3 T,铜颗粒几乎以静止状态悬浮.熔融后,当施加0.15 T的静磁场,与未加静磁场时相比,液滴俯视图轮廓线拟合出的椭圆分别与x轴和y轴的交点坐标之差R-、椭圆面积A和椭圆长轴长度Dmax的振幅分别减小了25%,76%和60%;随着磁场强度的继续增加,振幅和频率继续减小,但在静磁场强度为0.3 T时,相比静磁场强度为0.2 T,频率增加了1 Hz.横向静磁场还抑制了悬浮铜液滴的旋转,当磁场强度增加到0.53 T时,悬浮液滴只在10?的角度范围内摆动.这些结果表明,施加横向静磁场能够有效提高悬浮液滴的稳定性.     

原位磁场下粉末样品的X射线衍射图谱

在X射线粉末衍射仪的样品台附近施加磁场 ,测得了在原位磁场下分别具有顺磁性、抗磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性和磁性混合物的 6个样品的X射线衍射图谱 .与无磁场时的相应衍射图谱相比较 ,这些图谱中有衍射峰消失 ,又有新的衍射峰出现 ;或是峰位置和强度发生变化 ;而且磁场方向不同时 ,衍射图谱也不一样 .产生这些现象的部分原因可能是 ,在磁场下物质内部的磁矩沿着磁场方向定向 ,粉末晶胞内产生应力 ,导致晶格歧变 (如磁致伸缩效应 )或者晶粒沿着易磁化轴方向择优取向     

Diamagnetic levitation of a milligram-scale silica using permanent magnets for the use in a macroscopic quantum measurement

Verification of macroscopic quantum mechanics requires that the position measurement accuracy of mirrors of various mass scales reach the Standard Quantum Limit (SQL) derived from Heisenberg's uncertainty principle. At mg-scale, thermal noise of the suspension wire of the mirror is an issue to reach the SQL. We propose to use a magnetic levitation system consisting of permanent magnets and yokes, noting the fact that a silica mirror is diamagnetic, and have succeeded in the experimental verification to levitate a 0.1-1 mg silica mass. This is the first demonstration of the levitation system with this mass scale and this magnetic susceptibility scale using permanent magnets as far as we know. We also estimated major noise sources for a 0.1 mg silica mirror and found the noise level to be lower than the SQL at 400 Hz-18 kHz. In conclusion, the levitation system of a mg-scale mirror for the use in a macroscopic quantum measurement was realized.     

永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和永磁体之间的磁悬浮力研究

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和圆柱形永磁体在液氮温度、零场冷、轴对称情况下磁悬浮力的测量,研究了两种不同组态下辅助永磁体对超导体磁悬浮力特性的影响.实验结果表明,当长方体辅助永磁体水平磁化、且磁极N指向超导体时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N增加到61.5 N,增加为没有引入辅助永磁体时的206%.当长方体辅助永磁体的N极与圆柱形永磁体的N极反平行时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N减小到19.6 N,减小为无辅助永磁体时的65.8%.这些研究结果说明,通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式,能有效地提高超导体的磁悬浮力.该研究结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义. 关键词： 单畴GdBCO 永磁体 磁悬浮力     

空心圆柱形永磁体内径对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响

通过对空心圆柱形永磁体与单畴GdBCO超导体磁悬浮力的实验测量,研究了空心圆柱形永磁体内径(d)的变化对超导体磁悬浮力的影响.结果发现,当空心圆柱形永磁体内径从0 mm增加到26 mm时,超导磁悬浮力大小与空心圆柱形永磁体内径有着密切关系(最小测量间距Z=2 mm),所有超导磁悬浮力曲线都存在磁滞现象.随着空心圆柱形永磁体内径的增大,最小间距处超导磁悬浮力逐渐减小,从d=0 mm时的14.8 N减小为d=26 mm时的-0.1 N,d≥20 mm时,最小间距处超导磁悬浮力出现负值;当0 mm≤d5 mm时,超导体最大磁悬浮力出现在最小间距处,d≥5 mm时,超导磁悬浮力先增大后减小,最大超导磁悬浮力产生的位置随着内径的增大而变大.研究表明:只有科学合理地设计永磁体结构参数,才能获得较大的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性.该结果对设计并优化磁悬浮轴承系统、环形轨道和超导体的实际应用具有一定的指导意义.     

辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和方形永磁体在液氮温度、 零场冷、 轴对称情况下磁悬浮力的测量, 研究了三种不同组态中辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 实验结果表明, 如果处在超导体上方的测量用方形永磁体N极向下, 则在轴对称情况下, 当方形辅助永磁体N极向上与超导体下表面贴在一起时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到31.8 N, 提高到222%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到21.6 N, 增加到151%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向下且场冷后去掉方形辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N减小到8.6 N, 减小为无辅助永磁体时的60%.这些结果说明, 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.     

高温超导磁悬浮飞轮储能系统样机

在日益严峻的能源问题背景下,为展示无源高温超导磁悬浮技术在能量储存领域的应用前景,我们设计制作了一台全高温超导磁悬浮形式的飞轮储能样机.样机主要由高温超导磁悬浮轴承、飞轮转子、永磁电机和电路控制及负载部分组成.上下两个轴向型高温超导磁悬浮轴承用于悬浮和稳定飞轮转轴,直径200mm重量1.4kg的飞轮转子作为储能载体,最高可实现13000r/min的转速.在演示运行中,采用灯泡作为负载,该样机完成了从电能→机械能→电能的相互转换.     

辅助永磁体磁化方式对单畴GdBCO超导块材捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

通过对方形永磁体和方形辅助永磁体在液氮温度下对GdBCO超导体磁化后超导磁悬浮力的测量, 研究了两种组态中方形辅助永磁体对超导体的磁化方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 结果发现, 方形辅助永磁体的下表面和超导体上表面保持在同一个水平面上, 磁化进程中方形辅助永磁体在GdBCO超导体上表面水平面内沿直径方向的位置x从–15 mm增加到+15 mm时, 超导磁悬浮力大小与超导体的磁化方式有着密切关系(以Z=0.1 mm为例): 1) 当方形辅助永磁体N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体最大磁悬浮力先从16.7 N增大到23.1 N, 再减小到16.6 N; 2) 当方形辅助永磁体N极垂直向下且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体最大磁悬浮力先从17.7 N减小到7 N, 再增加到17.6 N; 3) 两种组态中最大磁悬浮力不相等, 而且与零场冷下的最大磁悬浮力(17.1 N)也不同. 这些结果说明: 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义. 关键词： 单畴GdBCO 永磁体 捕获磁场 磁悬浮力     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。     

永磁导轨上高温超导块材排布方式与悬浮力关系的研究

本文研究了YBCO块材排布方式与其在永磁导轨上悬浮力的关系.实验结果表明:悬浮力与随悬浮间距成指数关系.而YBCO块材在导轨上方排列方式的不同,导致沿轨道横截面方向,每块超导块获得的悬浮力平均值差异较大.当超导块集中分布于轨道上方磁场强度最大的区域时,超导块平均悬浮力最大.这意味着,与其他排布方式相比,在获得同等悬浮力情况下,这种排布方法的超导块用量最少.这一结果对于超导磁悬浮系统的设计具有指导意义。     

电磁悬浮熔炼的温度特性

利用一般电磁悬浮熔炼感应器，球形试样悬浮情况下，悬浮力和悬浮试样输入功率表达式，建立了不含悬浮感应器电流的悬浮试样输入功率表达式.利用这些表达式，结合自然对流情况下，球形试样在气体介质中的功率耗散模型，建立了悬浮熔炼工艺参量与悬浮熔炼试样温度之间的关系.以(TbDy)Fe2合金在Ar气保护情况下，在一定工艺条件下的电磁悬浮熔炼为例，得到了电磁悬浮熔炼各种工艺参量与悬浮试样温度的关系.通过对计算结果的分析，结合实际电磁悬浮熔炼特点，得到了降低电磁悬浮熔炼试样最低温度的措施：减小悬浮试样的半径；在能够实现悬浮 关键词： 电磁悬浮熔炼 悬浮力 输入功率 耗散功率     

强钉扎高温超导体与永磁体系统的悬浮力数值模型

本文从数值模拟和实验两方面研究了熔融织构Y-Ba-Cu-O(YBCO)高温超导块材与永磁体组成的磁悬浮系统的悬浮特性.通过理论与实验结果的比较,在Hikihara-Moon超导磁悬浮动力学唯像模型的基础上,提出了强钉扎磁悬浮力模型,并进一步研究了熔融织构YBCO块材在不同条件下的悬浮特性,包括:场冷高度(FCH)和零场冷却(ZFC)的对磁浮力的影响,以及由不同运动速度导致的磁悬浮力的变化等.结果表明,强钉扎磁悬浮力模型适合于精确描述由熔融织构YBCO高温超导块材与永磁体所组成的磁悬浮系统的悬浮特性.