電磁懸浮技術知識講解
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關于量子磁懸浮

深圳磁懸浮地球儀告訴您所謂量子磁懸浮,其實只是磁懸浮實驗中,通過改變超導體的物理尺寸而出現的一種奇妙現象。
超導體的特征之一是排斥磁場,即其“體內”不會穿過磁場線,于是將超導體置于磁場中時,超導體會受到一種被磁場排斥的力,也就是超導體會受到磁體施加給它的遠離磁體的力。磁懸浮就是靠上述的超導體抗磁的性質,將超導體放在磁體的上方,使斥力重力平衡而實現的。【超導體本身受到地球的引力(也就是重力)會向下向磁體靠近,然而超導體越是靠近磁體,其受到的磁體排斥的力量也就越大,當超導體靠近磁體到它們倆之間的排斥力等于地球對超導體的重力時,超導體就在磁體上方懸浮了】但此時的超導體的懸浮是會飄的,也可以說是不穩定的,當你向下壓一下超導體然后松開,它會在磁體上方上下做“簡諧振動”,也就是說普通的磁懸浮,是有一個懸浮的“平衡點”的。

而量子磁懸浮,它不同于普通上海磁懸浮的最大特點是,它沒有所謂的平衡點,而是磁體(嚴格的說應該是磁場)和超導體之間有一種“維持現狀”的特點,也就是說,你施加外力將一個“量子超導體”放在磁場中,然后撤去所有外力,它會在磁場中保持原有位置不變(如果磁場足夠強,能夠改變“量子超導體”的特性使其適應這部分磁場)。而這種在磁場中“保持現狀”的能力也取決于磁場的結構,如果磁場是不均勻的,那么當外力給這個“量子超導體”一個初速度時它會受到在磁場中“維持現狀”的阻力而最終停止,而如果磁場是均勻的,那么當外力給這個“量子超導體”一個初速度的時候,它將在均勻磁場中一直按這個速度運動下去。注意,上述的“均勻”是相對初速度方向的,不是三維空間均勻的意思,也就是說,如果磁場在x方向上是不變的,那么我們稱它為x方向是均勻的(當然這個x可以是直線也可以是曲線,比如圓弧或者均勻的螺旋線等),而在y和z方向都是不均勻的,也就是說沿著y和z方向磁場都是有變化的(這里的討論不考慮周期性變化),那么按上述條件,當初速度沿著x方向時,“量子超導體”將沿著x軸方向一直以初速度運動下去,而若初速度方向為y或z方向,那么“量子超導體”將在在磁場中“維持現狀”的阻力作用下停止運動。量子磁懸浮具有上述特性,主要取決于“量子超導體”具有一種對磁場的“適應”的特性。而這種“適應磁場”的特性來自于超導體的超薄的特性,在外界的磁場足夠強的時候,磁場線可以“刺穿”超薄的超導體,在超薄的超導體上形成磁場通道,當然這個“磁場通道”是“很多個”(應該是磁場線穿過分子間隙或者是晶格間隙產生的,這個時候也可以將超薄的超導體看做是一面網,網孔較小,而網繩較粗,網孔就是“磁場通道”,網繩就是超導體,阻止磁力線穿透自身),而穿過“磁場通道”的磁力線又要在空間盡量的分散著分布,此時的磁力線穿過“磁場通道”的景象可以形象的比喻成女生的頭上扎著扎頭繩一樣,扎頭繩將頭發緊緊地束縛在一起,而扎頭繩的兩端,頭發是蓬松的。在沒有外場干擾的情況下,磁力線有一種在空間盡量分散分布的趨勢,而且它的形狀在沒有外力的情況下是不會變的,也就是說要改變磁力線的空間自由分散的形狀就要施加外力,而此時的類似于扎頭繩的“磁場通道”不管怎么動,都會改變磁力線的形狀,也就是說沒有外力,或者說外力不夠不足以改變“磁場通道”的情況下,“磁場通道”相對磁場的位置是不會改變的(也就是上面我提到的“量子超導體”適應了這部分磁場,量子超導體之所以能夠適應,還有一個重要的原因就是它尺寸夠薄,“磁場通道”夠密,磁場在穿過通道時,量子超導體的前后兩面的磁場(靠近量子超導體的部分)可以看做是完全一樣的,也就是兩邊用著相同的力使量子超導體嵌在了那個位置)。這也就是量子懸浮實驗中“懸而不飄”現象的原因。也即是在將“量子超導體”置于磁體下方,磁體依然可以將其“吸住”的原因,即此時重力不夠大,不足以改變量子超導體的“磁場通道”來適應新的磁場。將一塊“量子超導體”置于方形或任何其他非旋轉對稱的磁鐵上時,你給“量子超導體”一個轉動初速度,它是不會一直轉下去的,因為沿著轉軸轉動的方向上的磁場是不均勻的,而將其放在環形磁體上時,你給它一個轉動的初速度,在沒有外界阻力的時候它是可以一直轉下去的,因為在以環形磁鐵中軸線為轉軸的轉動方向上,磁場是均勻的,“量子超導體”在繞著這個轉軸旋轉的時候,可以看成它相對磁場的位置沒有發生變化。這也是實驗中“量子超導體”在圓圈軌道上運動時,它的各個質點始終相對圓圈軌道圓心距離不變(其公轉一周,自身相對的自轉一周)的原因。而若是將普通的超導體放在圓圈軌道上運動,在沒有初轉速也沒有外力的時候,普通的超導體將不會自轉。當然,磁力線和“磁場通道”的引入并不嚴謹,或者說還有一些特性要賦予“磁場通道”(比如說在環形軌道上運動時),但是這樣的引入還是能使我的敘述比較便于理解的。
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