MÁGNESES LEBEGŐ VONAT MODELLJE

Haruhiko Suzuki
Masaaki Takashige
Sei-ichi Tanurna
Iwaki Meisei Egyetem, Fukushima, Japán

Már hét év telt el azoknak az oxid-szupravezetőknek a fölfedezése óta, amelyek T_c kritikus hőmérséklete a folyékony nitrogén hőmérséklete fölött van. Ez lehetővé tette, hogy szupravezetőkkel kísérleteket végezzünk a nélkül, hogy a hűtésre cseppfolyós héliumot kellene igénybe vennünk. Az elmúlt évek még impresszívebb eredménye volt, hogy szupravezető pasztillák lebegése permanens mágnesek fölött különösebb nehézségek nélkül demonstrálható.

Ezt a lebegést gyakran a Meissner-Ochsenfeld-jelenség következményeként értelmezik, azaz a mágneses erővonalak szupravezetőből történő teljes kilökődésével. De ez csak viszonylag gyenge mágneses erőtérben igaz, általában 100 gauss alatt. A demonstrációs kísérletekben azonban Sm-Co és Nd-Fe ötvözetből készült permanens mágneseket szoktunk alkalmazni, amelyek felületük közelében 3000-6000 gauss térerősséget létesítenek. Ez sokkal intenzívebb, mint a II. típusú szupravezetők alacsonyabb H_c1, kritikus térerőssége. Ezért oxid-szupravezetőkben a mágneses erőtér részlegesen behatol a szupravezetőbe.

Amikor az alkalmazott térerősség változik a valóságos II. típusú szupravezető anyagokban, a behatolt fluxus nem tud erre szabadon reagálni, mivel hajlamos az anyag szigetelő vagy szennyezett részeihez kötődni. Ezt a jelenséget a II. típusú szupravezető fluxusrögzítő hatásaként ismerjük.

1. ábra. A mágneses tér állapota, amikor a szupravezető pasztillát a mágnesre helyezzük.

Hogy ezt elvileg megértsük, a vázlatos 1. ábrát mutatjuk be, ahol a szupravezető pasztilla és a mágnes távolsága változik. Amikor a pasztilla felülről közelíti meg a mágnest, először a fluxus a Meissner-0chsenfeld-jelenségnek köszönhetően egyszerűen kiszorul, ahogy ezt az 1.b. ábra mutatja. Amennyiben a pasztilla nagyon közel kerül a mágneshez, fluxusrögzítés következik be, mint az 1.c. ábrán. Ha egy bizonyos nagyságú fluxusrögzítés megtörtént, további fluxus nem tud behatolni a pasztillába. Ezután a pasztilla alsó részét már erős mágneses tér veszi körül (1.d. ábra). Ennek eredményeként az 1.b. ábrához viszonyítva még erősebb taszító erő keletkezik. Amikor a pasztillát eltávolítjuk a mágnestől, a kettő között ható mágneses erő vonzóvá válik, ahogy ezt az 1.e. és az 1.f. ábrák mutatják.

A jelenlegi előállítási technika, a fenti fluxusrögzítő hatás miatt, képes nagyon erős taszító és vonzó erőkkel rendelkező szupravezető oxidokat készíteni, ami nagy lehetőséget kínál a gyakorlati alkalmazásokban, mint például a nem-érintkező forgó eszközöknél.

2. ábra. Mérőberendezés a pasztillára ható erő mérésére mágneses térben.

3. ábra. Az erő a pasztilla és a mágneses erőtávolságának függvényében.

Ebben a cikkben egy jármű-modellt fogunk bemutatni YBaCuO szupravezető pasztillákkal, amelyik lebegve vagy függve képes haladni a Sm-Co mágnesekkel készített pályán. Feltételezzük, hogy meglehetősen kevés ember rendelkezik olyan jelenségre vonatkozó tapasztalatokkal, mint a fluxusrögzítés. Így jelen munka hasznos lehet az oktatásban, hogy megismerjük a II. típusú szupravezetők egyik különleges jelenségét.

4. ábra. A mágneses tér állapota, amikor a normál állapotú pasztillát a mágnesen hűtjük le a folyékony nitrogén hőmérsékletére.

5. ábra. A pályarendszer teljes felépítése, alul és fölül egy-egy lineáris motorral.

YBaCuO szupravezetőt, amelynek T_c ~ 90 K a kritikus hőmérséklete, az Yba₂Cu₃O_X (123 fázis) kémiai képlet írja le, ahol x = 6,5 ~7,0, de ez fluxusrögzítő hatást alig mutat. Jelen munkában a szupravezető anyagot Y:Ba:Cu = 1:1,07:1,44 fémion arányokkal szintetizáltuk, amelyik eltér a tiszta YBaCuO anyagban lévő 1:2:3 sztöchiometriától. Erre azért van szükségünk, hogy a végső termékben az 123 fázisú mátrixban finoman eloszlatott Y₂BaCuO₅ (211 fázis) összetételű szigetelő fázisok legyenek jelen, mint rögzítő centrumok.

Az elkészítési technika a következő: Először BaCO₃ és CuO keverékét megolvasztjuk 1080 °C-on. Az olvadékot porrá zúzzuk és elkeverjük Y₂O₃ és Pt (0,1 súlyszázaléknyi) porral. A körülbelül 2000 kg/cm² hidrosztatikus nyomás alatt rúd alakúra összenyomott keveréket 1050 °C-ra újra felmelegítjük és rövid ideig, (mintegy 5 percig) itt tartjuk, majd gyorsan lehűtjük 1000 °C-ra. Ezután innen lassan, 72 óra alatt, 940 °C-ra, majd atmoszférikus O₂ áramban szobahőmérsékletre hűtjük.

A mintára ható erőt mágneses térben, nitrogén hőmérsékleten a 2. ábrán bemutatott berendezéssel mértük. A minta az így elkészített rúdból levágott 13 mm átmérőjű és 7 mm vastagságú pasztilla. A mágneses teret három darab Sm-Co mágnes (20 X 20 X 10 cm3) hozza létre, ahogy ezt a 2. ábra mutatja. Ennek térerőssége 4000 gauss a felület közelében. Az adatokat a pasztillának az elektronikus mérlegre helyezett mágnesek felé való mozgatásával és attól való eltávolításával kaptuk.

Az egyensúlynak megfelelő erőket a pasztilla és a mágnesek távolságának függvényében vettünk fel, értéküket a 3. ábra mutatja. Az 1. görbe annak a folyamatnak felel meg, melyet már az 1.a.-1.d. ábrákon bemutattunk, a 2. görbe pedig annak, melyet az 1.d.-1.f. ábrákon. Nyilvánvalóan a két görbe természete összhangban van az előző részben megadott magyarázatunkkal. A 3. görbe annak felel meg, amit térben való hűtési folyamatnak nevezünk: a normál állapotú pasztillát a mágnes közelében hűtjük le a folyékony nitrogén hőmérsékletére. Így a pasztillában sokkal több fluxus esik csapdába ahogy ezt a 4. ábra mutatja. Ennek eredményeként, a 2. görbének megfelelő zérus térben való hűtési folyamathoz képest, a vonzó erő erősebb lesz, amikor a pasztillát eltávolítjuk a mágnestől.

Végül azt jegyezzük meg, hogy ez a pasztilla 50 g súlyt tudott lebegtetni a mágnesek felett 1 mm-re, és 30 g-ot volt képes függve megtartani a mágnesek alatt 3 mm-re.

6. ábra. Fluxuselosztás a pálya mentén

7. ábra. A jármű felépítése.

Ezen eredmények alapján egy olyan jármű-modellt készítettünk, amelyik megépített pályán fut. Az egész konstrukciót az 5.ábra mutatja. A terveket úgy készítettük, hogy az egész berendezés felfordítható legyen a pálya alatt függő haladás céljából. Szélességében a pálya Sm-Co mágneseknek három sávos elrendezése, azaz ugyanaz az egység, amelyiket az előző rész erőmérésénél használtunk. A középső sávban az északi pólus van felfelé, míg szélső sávokban a déli pólus. Összesen 500 mágnest használtunk, a 0,40 m sugarú pálya teljes hossza mintegy 3,2 m. A fluxus eloszlása vaspor ráfúvással szemben megfigyelhető, és ennek homogenitása a mozgási irány mentén igen egyenletes, amint azt a 6.ábra fotója mutatja.

A 7. ábra a jármű felépítését mutatja. A test sztirol burkolatból készült a könnyű súly és a hőszigetelés miatt. A sztirol burkolat aljában két szupravezető pasztilla foglal helyet. A géz folyékony nitrogénnel itatódik át. A két alumíniumlemez, melyet a test két oldalára ragasztottunk, a jármű gyorsítására szolgál, kihasználva a pálya két oldalán elhelyezett lineáris motor által létrehozott elektromágneses indukciót (lásd később). Ennek a járműnek a teljes súlya 15 g, és körülbelül 5 g folyékony nitrogénnel van feltöltve.

Nem könnyű leírni az üzemeltetés módját, így néhány fotót mutatunk be. A 8. és 9.ábrákon a lebegő, illetve a függő képek láthatók. Hogy a járművet kontaktus nélkül felgyorsítsuk, lineáris motort helyeztünk el a pálya mindkét oldalán (5.ábra). Egy optikai szenzor figyeli a szállító eszköz érkezését ebbe a tartományba, ennek a jele kapcsolja a lineáris motort. A mozgás haladási irányát meg lehet fordítani, felcserélve a lineáris motor polaritását. A folyékony nitrogén feltöltése után ez a modell mintegy 40 kört képes megtenni lebegve és 20 kört függve, átlagosan 0,75 m/s sebességgel anélkül, hogy a pályára ülne vagy leesne.

8. ábra. A pálya felett lebegő jármű fotója.

9. ábra. A pálya alatt függő jármű fotója.

Jelenlegi modellünk nagyon kicsi, de nagyobb szupravezető testeket használva a szállító eszköz nehezebb terhelést is képes vinni. Továbbfejleszthetjük a hűtési módszert is, ekkor az üzemelési idő is hosszabb lesz. Jelenleg ilyen további lehetőségek felkutatásán fáradozunk.

Az üzemeltetésről VHS videofelvétel készült, megtekinthető az ELTE Alacsony Hőmérséklet Fizikai Tanszéken.

______________________