超导磁悬浮列车的原理

超导磁悬浮列车的原理
超导是超导电性的简称，它是指金属、合金或其它材料在低温条件下电阻变为零，电流通过时不会有任何损失的性质。

当温度升高时，原有的超导态会变成正常的状态。

超导现象是荷兰物理学家翁纳斯(H.K.Onnes，1853-1926年)首先发现的。

翁纳斯在1908年首次把最后一个"永久气体"氦气液化，并得到了低于4K 的低温。

1911年他在测量一个固态汞样品的电阻与温度的关系时发现，当温度下降到4.2K附近时，样品的电阻突然减小到仪器无法觉察出的一个小值(当时约为1 10– 5)。

由实验测出的汞的电阻率在4.2K附近的变化情况，该曲线表示在低于4.15K的温度下汞的电阻率为零。

电阻率为零，即完全没有电阻的状态称为超导态。

除了汞以外，以后又陆续发现有许多金属及合金在低温下也能转变成超导态，但它们的转变温度(或叫临界温度Tc)不同。

利用超导体的持续电流可做一个很有趣的悬浮实验。

将一个小磁棒丢入一个超导铅碗内，可看到小磁棒悬浮在铅碗内而不下落。

这是由于电磁感应使铅碗表面感应出了持续电流。

根据楞次定律，电流的磁场将对磁棒产生斥力，磁棒越靠近铅碗，斥力就越大。

最后这斥力可以大到足以抵消磁棒所受重力而使它悬浮在空中。

自1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来,轮轨火车一直是人们出行的交通工具.然而,随着火车速度的提高,轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动,发出很强的噪音,从而使乘客感到不舒服.由于列车行驶速度愈高,阻力就愈大.所以,当火车行驶速度超过每小时300公里时,就很难再提速了.
如果能够使火车从铁轨上浮起来,消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦,就能大幅度地提高火车的速度.但如何使火车从铁轨上浮起来呢科学家想到了两种解决方法：一种是气浮法,即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火车浮起；另一种是磁浮法,即利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间
磁吸力使火车从铁轨上浮起来.在陆地上使用气浮法不但会激扬起大量尘土,而
且会产生很大的噪音,会对环境造成很大的污染,因而不宜采用.这就使磁悬浮火车成为研究和试验的的主要方法.
磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速
列车系统。

应用准确的定义来说，磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥
力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利
用线性电机驱动列车运行。

根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列
车有两个发展方向。

一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统-EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空
运行，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右，常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400-500公里，适合于城市间的长距离快速运输，但这与我们的话题
没有什么太大的关系；另一个是我们今天的正题，它就是以日本为代表的排斥
式悬浮系统-EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。

这两个国家都坚定地认为自己国家的系统是最
好的，都在把各自的技术推向实用化阶段。

估计到下一个世纪，这两种技术路
线将依然并存。

好，准备工作已经完成，下面我们就来介绍我们的超导磁悬浮列车。

超导
磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电
性和完全抗磁性.超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成,它不仅电流阻力
为零,而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流,这种特性使其能够制成
体积小功率强大的电磁铁.
超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备,而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧,车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组,感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成.当
向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时,就会产生一个移动的电磁场,因而在列车导轨上产生磁波,这时列车上的车载超导磁体就会
受到一个与移动磁场相同步的推力,正是这种推力推动列车前进.其原理就象冲
浪运动一样,冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的.与冲浪者所
面对的难题相同,超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁
波的顶峰运动的问题.为此,在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器,根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式,精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行.
超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供
三相交流电,并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动,实现非接触性牵
引和制动.但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关,当列车接近该
绕组时,列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流,因此
在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力,从而将列车悬起,并经精密传感器
检测轨道与列车之间的间隙,使其始终保持100毫米的悬浮间隙.同时,与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力,保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶.
另外提一点超导磁悬浮列车的不足之处，以便于大家更好的了解磁悬浮列车。

首先由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮,导向和驱动功能的,断电后磁悬
浮的安全保障措施,尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题.其高速
稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验.其次，常导磁悬浮技术的悬浮高度较低,因此对线路的平整度,路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高.再次，超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大,冷却系统重,强磁
场对人体与环境都有影响.
这样就是我们所见到的超导磁悬浮列车了，当然大多数的磁悬浮列车还处
于试运行阶段，目前研制成功磁悬浮列车的国家有日本、德国、英国、加拿大、美国、前苏联、中国、韩国，商业运营的磁悬浮列车目前只有中国，其他国家
的是试验线而不是运营线，韩国2010年5月3日公开首辆磁悬浮列车(试运行)，并计划在2013年成为继中国之后第二个运行磁悬浮列车的国家。

另外，值得我们国人自豪的是我国是世界首个研制高温超导磁悬浮列车成
功的国家，且首条试运行线路即将落户随州。

除超导磁悬浮列车外，超导技术在超导发电、输电和储能，超导计算机、
超导天线、超导微波器件和热核聚变反应堆等很多地方都有非常广泛的应用。

记得我们物理老师说过，超导是量子力学中最前沿的研究领域之一，也是当今
物理学最重要的发展领域之一，超导有非常广泛的前景，希望有更多的人加入到超导的研究中来。

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