超导及其磁悬浮列车的原理初探(徐峰)

超导及其磁悬浮列车的原理初探

(物理系02级本科班 徐峰 指导老师 陈惠敏)

摘要：本文先叙述了超导的有关概念，在利用磁悬浮的原理对磁悬浮列车的悬浮.前进.制动过程进行了通俗易懂的分析和讨论，使电磁学理论与实际运用进行了有机的结合，对学习者起到了提高学习的兴趣，培养探究式学习的能力，确定研究方向的作用。

关键词：超导 超导态 超导体 临界温度 临界磁场 磁悬浮

在电路中，由于用电器存在电阻损耗，使能量不能完全得到利用。尤其是电能在传输过程中的能量损耗更是不可计量的，为了减少这种损耗，很多科学家投入了大量的精力和财力来进行这项研究工作。1911年，首先是荷兰物理学家开默林-昂纳斯发现，某些金属或合金的温度降到接近绝对零度时，其电阻突然变为零或接近于零这种现象称为超导电现象。从而引起“超导热”。

电阻完全消失的状态称为超导态，处于超导态的物质具有超导电性，具有超导电性的材料为超导体。电阻突然消失的温度称为临界温度，具有持续电流的超导环能产生电场，并且不需要电源就可以产生较强的磁场。

一、磁悬浮原理

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（如图1所示）。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。超导体的电阻准确为零，因此，

一旦它内部产生电流后，只要保持超导状态不变，其电流

就不会减小。这种电流称为持续电流。

那么研究这些问题到底有什么用？磁悬浮列车的商

业运营给了我们一个明确的答复。它的优越性是其他运输

工具都无法比拟的，其速度远远超过了火车的速度。基于它的优良特性，各国政府对磁悬浮技术的研究都非常重

视。磁悬浮列车到底是怎样“浮”起来并向前推进的呢？让我们首先来看一下它的上浮原理。如图2所示，磁悬浮列车的底部装有悬浮电磁铁，它是由电动机中的转子部件充当的，而在导轨上也相应的固定着电磁导轨（由磁铁材料制造）。向导轨通电后，由于

电磁感应现象，在线圈里产生电流，地

面上线圈产生的磁场极性与列车上的电

磁体极性总是保持相同，这样在线圈和

电磁体之间就会一直存在排斥力，车体

受到排斥力与重力的共同作用而保持平

衡。当然自然界的电磁感应现象有两种

——同名磁极相互排斥和异名磁极相互

吸引，而我们这儿运用的为排斥作用。

在电磁导轨的排斥力作用下，车体逐渐

抬升，便与导轨间产生了空隙。不过车

体也不能抬升得过分，否则就要与导轨相撞了，所以我们便要通过控制悬浮磁

图 1 图2

铁中的电流大小来控制排斥力不能过大。同样，在侧面装有侧向电磁体（车体上）与侧向导轨（路轨上），它们之间的磁极极性相反，故互相吸引，使车体不至于与导轨碰撞，并使列车行驶时保持稳定不翻车。以上便是磁悬浮列车能够不与导轨接触而产生阻力的原因了。

二、前进原理

在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。正如图3所显示的，列车前进是因为列车头部的电磁体（N 极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S 极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N 极）所排斥。当列车到达图4所标的位置时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S 极线圈，现

在变为N 极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。

三、制动原理

同推进原理相同，当列车需要减速时，就在相当于定子的悬浮电磁铁中通入反相交变电流这样产生的与列车行进方向相反磁场就会给列车一制动力，使得列车减速。此时加速与减速所用时间相等。另外，如不通入反向电流而停止供仅电，一样能得到减速刹车的效果，只是速度较小。

悬浮、前进、制动原理是磁悬浮技术的核心理论，是研制磁悬浮列车的主要理论依据。在交通运输方面，超导悬浮列车的研制已受到世界各国的重视。早在高温超导出现以前，世界各国就对常规的磁悬浮列车进行了深入的研究。日本曾于1982年创造了当

时磁悬浮列车时速为400千米的世界纪录，如图5

所示。虽然当时的乘客只有三人，驾驶系统也由

控制中心操纵，但是它却向人们展示了磁悬浮列

车的可行性。磁悬浮列车的优点是行进平稳，没

有颠簸，噪音小，所需牵引力也小。只要几MW

的电力就能使悬浮列车的时速达到500km/h 。目

前我国也开始了磁悬浮列车的研制。

从以上的分析和讨论可以看出，理论源于实践，实践又反过来指导和完善理论。这为学习者

建立一个严谨的科学研究态度，培养电磁学基本理论与前沿科学运用相结合的能力，提高学习兴趣，养成探究式学习的习惯，起到了积极的促进作用。

参考文献：

[1]张三惠.大学物理学（第三册）电磁学.清华大学出版社.2000（3）

[2]贾起民. 郑永令.面向21世纪课程教材—电磁学.高等教育出版社.2001（1） 图 3 图 4 图5