СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ВЫВЕШИВАНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВ Российский патент 2000 года по МПК G01C19/24 G12B3/10 

Описание патента на изобретение RU2155935C2

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 Bк1, будет выталкиваться из его объема, тем самым создавая силу, удерживающую сверхпроводник в бесконтактном положении. При этом величина поля магнита не должна превышать Вк1 сверхпроводника, и удельная удерживающая сила равна:

Для реализации этого метода необходимы сверхпроводники с большим значением нижнего критического поля Bк1. В устройствах используются ниобий и его сплавы с Bк1 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 Вк1 ≈ 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>Bк1 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 = pmBSinα, (2)
а приложенная к нему сила будет равна:
f = pmBSinα/l≈2pmBΔz/d2, (3)
где pm - 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
Fп=F0•Vв, (4)
где F0 - объемная сила пиннинга, параметр, характеризующий данный сверхпроводник, который определяется кристаллической структурой и величиной магнитного поля (количеством вихрей); Vв - объем области, где существуют вихри.

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

F0•V≥ρ•Vт•g. (5)
Принимая, например, что объем Vв занимает половину Vт, получаем
F0≥2ρ•g. (6)
Так как F0= jkВ, где jk - критический ток, то (6) можно представить в виде
jkB≥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 Bk1= 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.

Похожие патенты RU2155935C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕНТРОВ ПИННИНГА В СВЕРХПРОВОДНИКАХ 1999
  • Милошенко В.Е.
  • Голев И.М.
  • Андреева Н.А.
RU2160485C2
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ 1999
  • Ичкитидзе Л.П.
RU2181517C2
БЕСКОНТАКТНАЯ РАДИАЛЬНО-УПОРНАЯ ОПОРА НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ 2003
RU2270940C9
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА СВЕРХПРОВОДНИКА 1999
  • Голев И.М.
  • Андреева Н.А.
RU2156980C1
МНОГОСЛОЙНЫЙ ЛЕНТОЧНЫЙ НАНОСТРУКТУРНЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СПЛАВА НИОБИЙ-ТИТАН 2008
  • Карпов Михаил Иванович
  • Внуков Виктор Иванович
  • Коржов Валерий Поликарпович
  • Желтякова Ирина Сергеевна
  • Колобов Юрий Романович
RU2367042C1
ЛЕВИТИРУЮЩИЙ КВАДРУПОЛЬ (ВАРИАНТЫ) 2011
  • Бишаев Андрей Михайлович
  • Бугрова Антонина Ивановна
  • Буш Александр Андреевич
  • Гавриков Михаил Борисович
  • Каменцев Константин Евгеньевич
  • Козинцева Марина Валентиновна
  • Куроедов Юрий Дмитриевич
  • Липатов Александр Семенович
  • Савельев Вячеслав Владимирович
  • Сигов Александр Сергеевич
  • Тарелкин Иван Андреевич
RU2467423C1
СПОСОБ ДОСТАВКИ КРИОГЕННОЙ ТОПЛИВНОЙ МИШЕНИ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА, СИСТЕМА И НОСИТЕЛЬ 2019
  • Александрова Ирина Владимировна
  • Акунец Александр Алексеевич
  • Корешева Елена Ростиславовна
  • Кошелев Евгений Леонидович
RU2727925C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ЛЕНТОЧНОГО НАНОСТРУКТУРНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СПЛАВА НИОБИЙ-ТИТАН 2008
  • Карпов Михаил Иванович
  • Внуков Виктор Иванович
  • Коржов Валерий Поликарпович
  • Желтякова Ирина Сергеевна
  • Колобов Юрий Романович
RU2367043C1
СПОСОБ АКТИВАЦИИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ В ОБЛАСТИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР НИЖЕ КРИТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2012
  • Антонов Юрий Федорович
RU2528407C2
ДАТЧИК СЛАБОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПЛЕНКИ 2004
  • Ичкитидзе Л.П.
RU2258275C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 155 935 C2

Реферат патента 2000 года 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.

Формула изобретения RU 2 155 935 C2

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2000 года RU2155935C2

КОВАЛЕВ В.П
Опоры и подвесы гироскопических устройств
- М.: Машиностроение, 1970, стр.238
БУХХОЛЬД Т
Сверхпроводящие гироскопы
Сб
Проблемы гироскопии
- М.: Мир, 1967, стр.121
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС 1991
  • Буравлев А.П.
  • Левин Л.А.
  • Мумин О.Л.
  • Малтинский М.И.
RU2057292C1
JP 01061608 A, 08.03.1989.

RU 2 155 935 C2

Авторы

Голев И.М.

Милошенко В.Е.

Андреева Н.А.

Даты

2000-09-10Публикация

1998-10-26Подача