电磁悬浮技术及应用论文

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课程名称物理学在工程中的应用题目名称电磁悬浮技术及应用

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2011年 4 月18 日

电磁悬浮技术及应用

青蛙是一种两栖动物，有时它们会静静地漂浮在水中，这并不稀奇，但是你见过青蛙漂浮在空气中吗?

当青蛙在水中的时候，受到水的浮力，这个力的大小刚好和它自身所受的重力抵消，它就浮在水中。空气不可能提供给青蛙足够支撑重力的浮力，除非还受到别的什么力，青蛙才可能悬浮在空气中。这种力是否存在呢?这就是我这篇论文要说的原理----磁悬浮力。现在科学家已经在实验室中实现了用很强的磁场给青蛙以向上的推力，来抵消地球的引力，使它浮起来。

说到这里就有一个疑问了，青蛙是不带磁性的，因为它不像磁铁那样能够吸在冰箱的门上，那么磁场怎样对它产生力呢?这个问题我要在论文最后才能给出答案。现在，我先介绍一下电磁悬浮技术。

电磁悬浮的原理是利用高频电磁场在金属中产生涡流，进而产生洛伦兹力来实现悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈内时，由于电磁感应现象，会在金属表面产生高频感应电流，并形成闭合回路，称为涡流。这一涡流使金属样品在磁场中受到一个洛伦兹力的作用。通过合理设计悬浮线圈的结构，可以使样品上洛伦兹力的合力方向与重力方向相反，再通过调节高频电源的功率使悬浮力与重力相等，即可实现金属样品的悬浮。

自从1922年德国工程师赫尔曼肯佩尔提出了电磁悬浮原理后，人类开始探索电磁悬浮的奥秘，研制方向主要放在磁悬浮列车方面。

磁悬浮列车是一种靠磁的吸引力或排斥力来减小摩擦阻力的列

车。由于轨道的磁力，列车行进时悬浮在空中，不接触轨道，因此没有与轨道的摩擦阻力，只有空气的阻力。磁悬浮列车的最高速度能够达到500km/h以上，而且可以大大减少噪声，人们希望它是将来除飞机之外的另一种快速交通工具。

利用吸引力提起物体，利用排斥力托起物体，两种力都能够使物体处于悬浮状态。目前，世界上的磁悬浮列车主要就是推斥式和吸力式这两种“悬浮”形式。利用磁的吸引力使车辆浮起来的磁悬浮列车，用的是T形导轨，车辆的两侧下部向导轨的两边环抱，导轨底部安有钢板，在车辆的下部装有金属线圈，当电流从线圈中流过时，能产生磁场，这就是电磁铁。钢板在上，电磁铁在下，电磁铁的强大磁力吸引车辆向上，吸引力与车辆重力平衡时，车辆就悬浮在导轨的上方。推斥式的轨道是U形的。当列车向前运动时，车辆下面的电磁铁就使埋在轨道内的线圈中产生感应电流，使轨道内线圈也变成了电磁铁，而且它与车辆下的电磁铁产生相斥的磁力，把车辆推离轨道。

几个国家研制的磁悬浮列车有多种形式。德国于1971年研制成常导电磁铁吸引式磁悬浮试验车；英国于1984年建成低速磁力悬浮式铁路；日本于1987年制成了超导体磁悬浮列车，最高速度为420km/h。目前，美国正在研制用超导方式行驶的地下真空磁悬浮超音速列车，设计最高速度为2.25xl04km/h，只需要21min便可横穿美国大陆。

2002年建成的上海磁悬浮列车采用的是德国技术。2005年建成的我国第一条永磁悬浮列车在大连问世，采用的是我国自主创新的

“永磁补偿式悬浮技术”。

利用磁悬浮原理的设备还有磁悬浮电梯、磁悬浮轴承、磁悬浮电动喷头等。值得一提的是，南京一位初中二年级的同学利用与电磁悬浮列车相同的基本原理，发明了不需要人拉动绳索的磁悬浮旗杆。

最后再来讲讲磁场为什么能够对青蛙产生力。原来不同的物体在磁场中表现出来的性质是各不相同的，但是大致可以分成三类，一类叫做顺磁质，一类叫做抗磁质，还有一类叫做铁磁质。举例来说，铁和镍属于铁磁质，稀土元素属于顺磁质，至于青蛙，则属于抗磁质。在磁场中抗磁质物体表现为抗磁性。当青蛙被放到磁场中，青蛙的每个原子都像一个小磁针，外界磁场对这些小磁针作用的结果产生了向上的力，如果磁场的强度适当，这力与青蛙受的重力达到平衡，它们就能悬在空中。同学们看到这里就明白了，抗磁悬浮现象的原理与让列车飞驶起来的电磁悬浮以及永磁悬浮都不同。

实际上动物都属于抗磁质，科学家还对老鼠等动物做了实验，结果都一样。因为人类也是动物，在磁场中当然也可以看做是抗磁质物体，所以利用抗磁原理，只要用足够强的磁场，经过周密的设计，将来就有可能使人悬浮起来。当然，这不仅是为了好玩，更主要的是在医学及其他方面很有实用意义。