磁懸浮鐵路綜述

磁懸浮鐵路綜述

磁懸浮鐵路與傳統(tǒng)鐵路有著截然不同的區(qū)別和特點。在傳統(tǒng)鐵路上運行的列車，是靠機車作為牽引動力，以鋼軌和輪緣作為運行導(dǎo)向設(shè)備，由鐵路線路承受壓力，借助于車輪沿著鋼軌滾動前進的。而在磁懸浮鐵路上運行的列車是利用電磁系統(tǒng)產(chǎn)生的吸引力或排斥力將車輛托起，使整個列車懸浮在線路上，利用電磁力進行導(dǎo)向，并利用直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換成推進力來推動列車前進的。

與傳統(tǒng)鐵路相比，磁懸浮鐵路由于消除了輪軌之間的接觸，因而無摩擦阻力；線路垂直負荷小，適于高速運行，時速可達500公里以上；無機械振動和噪音，無廢氣排出和污染，有利于環(huán)境保護；能充分利用能源、獲得較高的運輸效率；列車運行平穩(wěn)，能提高旅客舒適度；由于磁懸浮系統(tǒng)采用導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生脫軌和顛覆事故，提高了列車運行的安全性和可靠性；磁懸浮列車由于沒有鋼軌、車輪、接觸導(dǎo)線等摩擦組件，可以省去大量維修工作和維修費用。另外，磁懸浮列車可以實現(xiàn)全自動化控制，因此，磁懸浮鐵路將成為未來最具有競爭力的一種交通工具。

二、超導(dǎo)的基本概念

目前，世界上對超導(dǎo)技術(shù)的研究已經(jīng)進入了一個新階段。各國科學(xué)家正在奮力尋找更高臨界溫度乃至常溫下的超導(dǎo)材料，以便在工業(yè)應(yīng)用上實現(xiàn)一個新的飛躍。美國、日本和我國新在這一領(lǐng)域中取得了突破性的成果，處于世界領(lǐng)先地位。

早在1991年，荷蘭物理學(xué)家K.·昂尼斯在觀察低溫下水銀電阻變化的時候，在溫度42K（K是開氏絕對溫標(biāo)，國際單位制的溫度單位，0℃= 273.15K）附近發(fā)現(xiàn)水銀的電阻突然消失，從而揭開了研究超導(dǎo)現(xiàn)象第一頁。

超導(dǎo)是元素、合金和化合物在低溫區(qū)呈現(xiàn)出來的一種特異現(xiàn)象。超導(dǎo)具有兩個基本特性：一是理想導(dǎo)電性，即零電阻性質(zhì)，也就是導(dǎo)體中測不出電阻；第二是完全抗磁性，即超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)為零，也就是磁場進不了超導(dǎo)體內(nèi)部。它們所處的低溫區(qū)遠遠低于人們所能接觸到的地球南、北極的冰雪低溫。我們把電阻突變時的溫度叫做超導(dǎo)體起始轉(zhuǎn)變溫度，或臨界溫度；把電阻變?yōu)榱慊蛘邔嶋H接近零的溫度，叫做零電阻溫度。例如，水銀的零電阻溫度是4.2K，相當(dāng)于-269℃。出現(xiàn)抗磁性的溫度，介于臨界溫度和零電阻溫度之間。為了使超導(dǎo)能達到實際應(yīng)用的程度，必須獲得高臨界溫度已至常溫下的超導(dǎo)材料。這也是各國為之奮斗的目標(biāo)。

有人曾作過這樣的兩個試驗，來直接觀察和了解超導(dǎo)現(xiàn)象和它的兩種特性：

第一個試驗是在磁場中放置一個用超導(dǎo)材料做成的環(huán)。先使溫度高于超導(dǎo)臨界溫度，然后降到臨界溫度以下。當(dāng)環(huán)進入超導(dǎo)狀態(tài)后撤掉磁場。由于磁場感應(yīng)，在環(huán)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。將溫度保持在臨界溫度以下，這個無電源環(huán)中所感應(yīng)的電流竟維持了兩年半之久而無明顯衰減。這說明環(huán)進入了超導(dǎo)狀態(tài)后，環(huán)的電阻變?yōu)榱悖蚨鵁o能量損耗，無需加電源補充能量，即可維持環(huán)中電流流通。這就是超導(dǎo)體零電阻性質(zhì)的反映。

第二個試驗是把一個鉛碗侵入液態(tài)氦中，鉛進入超導(dǎo)狀態(tài)。當(dāng)把一個磁場很強的永久磁鐵靠近鉛碗表面時，它的磁力線被完全排斥在超導(dǎo)體鉛碗之外，使永久磁鐵懸空飄浮在鉛碗上方。試驗表明：對于超導(dǎo)體，不論是先降低溫后加磁場，還是先加磁場后降低溫度，只要溫度降到臨界溫度時，磁通會突然被排斥到超導(dǎo)體之外，其內(nèi)部的磁通量永遠為零。這種特性稱為完全抗磁性。

為什么在低溫條件下才能出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象？我們知道，物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的原子、電子、分子有規(guī)律地排列，組成一定形狀的幾何圖形，成為晶格。而電流是電子的定向流動引起的，它在流動中碰到晶格，引起晶格振動，對電子的流動起阻礙作用。通常，電子之間是互相排斥的，但在一定條件下，通過晶格影響，也會產(chǎn)生吸引力。當(dāng)吸引力超過排斥力時，電子就結(jié)成了所謂的庫柏電子對，形成庫柏對的電子一起流動，就沒有電阻。當(dāng)溫度高的時候，晶格振動的能量增大。當(dāng)大到一定程度時，庫柏電子對就被拆散了。因此，只有把溫度降到一定程度，即臨界溫度，使晶格振動的動能小到拆散庫柏電子對能力之下，才能產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。

超導(dǎo)電流在導(dǎo)體內(nèi)沿表面流動，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生方向相反的磁通，使內(nèi)部總磁場為零。這就是超導(dǎo)體內(nèi)的完全抗磁性。

然而，怎樣才能獲得超導(dǎo)體呢？如上所述，超導(dǎo)體是在低溫條件下獲得的，因此首先必須獲得低溫。在宇宙空間中，木星上的溫度比較低，為100～200K。但人類要使用木星的低溫，暫時不可能。所以，就在地球上設(shè)法不斷地探索和創(chuàng)造這種條件。目前，世界上常用的方法是把超導(dǎo)材料浸泡在液態(tài)氦、液態(tài)氨和液態(tài)氧中，因為它們的絕對溫度分別為：4.2K、77.3K、和90.3K。但是制冷技術(shù)復(fù)雜，代價高。如果能在常溫下實現(xiàn)超導(dǎo)，才是最理想的，就可以使超導(dǎo)技術(shù)廣泛地投入應(yīng)用。因此，提高超導(dǎo)的臨界溫度，是當(dāng)前世界各國科學(xué)家面臨的一個重大課題。

自1986年以來，超導(dǎo)研究進入了一個新的發(fā)展時期，每年均有新的突破，使超導(dǎo)臨界溫度一躍達到 100K。這個紀錄是由中國科學(xué)家首先創(chuàng)造的。隨后，美籍華裔學(xué)者朱經(jīng)武又發(fā)現(xiàn)了零電阻溫度為225K的新型超導(dǎo)材料。現(xiàn)在，世界上研究超導(dǎo)的試驗小組就有200多個，不斷出現(xiàn)新的進展。可以預(yù)期，在不遠的將來，人類將會實現(xiàn)室溫（300K左右）超導(dǎo)的夢想。

常溫超導(dǎo)材料的付諸使用，將開辟工業(yè)技術(shù)革命的新紀元。它可以在很多領(lǐng)域，諸如精密測量、衛(wèi)星通訊、軍事偵察、電力傳輸和貯存、交通、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究等方面得到應(yīng)用。例如，用超導(dǎo)線繞制的超導(dǎo)線圈，具有磁場強、體積小、重量輕、耗電少的顯著優(yōu)點，被稱為第三代磁體。超導(dǎo)磁體在核物理、高能物理中的應(yīng)用也十分廣泛。用超導(dǎo)材料能制成無損耗電力傳輸線，實現(xiàn)長距離大容量的電能傳輸。超導(dǎo)體可制成大功率的發(fā)電機和電動機，超導(dǎo)材料制成的電機線圈，磁感應(yīng)強度可提高5～10倍，允許電流密度可提高100～1000倍，在同樣功率下，電機重量可大大降低。

室溫超導(dǎo)材料用于鐵路，引人注目的是超導(dǎo)磁懸浮高速列車。因此，超導(dǎo)技術(shù)和磁懸浮列車有著極為密切的關(guān)系，了解超導(dǎo)的一般原理和概念，對了解磁懸浮列車的原理和發(fā)展，具有很大的幫助。由于超導(dǎo)材料的引入，磁懸浮列車的速度有了大幅度的提高。