超导磁悬浮列车原理.doc

磁悬浮列车
图三磁铁在导体附近移，便会感应出电流。
图二Transrapid系统的原理。
图一我们无法使一块磁铁稳定地浮在另一块磁铁上。
要以最快的速度从一个地方去到数百公里，甚至数千公里以外的地方，一般人都会选择乘搭飞机。可是，在不久的将来，一种新的交通工具将会带领人们以高速于城市之间穿梭。目前为止，一般的子弹火车能以200km/h的速度前进。由于火车与路轨之间的摩擦力限制了火车的最高速度，所以人们便开始研究能悬浮于路轨之上的火车，于是便有磁浮火车的出现了。顾名思义，磁浮火车是利用磁力使火车悬浮于路轨之上。磁浮火车经常被称为MagLev，即MagneticallyLevitatedtrain的简写。但是，利用一般的磁铁并不能把火车稳定地浮起。要是你将两块磁铁的北极相对，你会发现无法使一块磁铁稳定地浮在另一块上(图一)。所以，要把火车浮起并不如想象中般简单。真正磁浮火车是如何浮起来的？目前，磁浮火车还在试验阶段。德国科学家设计了一个名为Transrapid的系统，利用了「电磁力悬浮法」(EMS)把火车浮起(图二)。在这个系统中，火车的底部包着一条导轨，在火车底部起落架的电磁铁向着导轨，磁力使火车悬浮在导轨之上约一厘米，即使在静止的时候，火车仍然保持浮起。其它导引磁铁则能使火车在行使时保持稳定。日本的科学家则利用了「电动力悬浮法」(EDS)把火车浮起。还记得甚么是「电磁感应」吗？当磁铁在导体附近移动，导体内的磁场会因而改变(图三)，并感应出电流。感应电流又能产生磁场，根据楞次定律，这样产生出来的磁场总是倾向于抗拒引起这个感应的改变。「电动力悬浮法」应用了电磁感应的原理。图四(a)显示了这种磁浮火车的原理。火车在导槽内行走，槽的两边安有一系列"8"字形的线圈。当一辆列车快速驶过时，车两边的超导磁铁便会在线圈上感应出电流。巧妙的是，超导磁铁在"8"字形的线圈中心以下经过，因此"8"字形线圈下半部的磁通量改变比上半部大，感应出如图四(b)所示的电流，产生磁力。"8"字形线圈下半部的磁极与超导磁铁的磁极相同，上半部则与之相反，结果是这两部分的线圈对超导磁铁产生的磁力，都有一个向上的分力，把列车悬浮起来。由于"8"字形线圈只有在超导磁铁运动时才能感应出电流并产生磁性，因此当火车静止的时候，便不能浮起。所以，火车在激活时会首先靠轮子来滑行，直到产生的磁力足以承托火车的重量，才将轮子收起来，就好像飞机起飞一样。那么，磁浮火车是怎样被推动的？它的基本原理很简单。以日本的磁浮火车为例。移动的列车带同超导磁铁在导槽两边的线圈感应出电流，根据这些讯息，系统便会把交流电输入导槽两边的推进线圈，产生南北间隔的磁极(图五)，对超导磁铁造成拉力和推力，使列车加速。磁浮火车能悬浮在路轨上行驶，免除了火车与路轨之间的摩擦力，故能以高速飞驰。估计未来的磁浮火车能以高达500km/h的速度行驶，比现在最快的火车速度要高一倍。此外，磁浮火车非常宁静。德国农民在磁浮火车路轨附近工作，几乎察觉不到有火车经过呢！但磁浮火车有一个缺点，就是建造导轨的费用昂贵。磁浮火车只能在这些导轨上走，大大限制了它的发展。估计未来的铁路发展，仍会以传统火车为主。
图五如何推动磁浮火车？
图四电动力悬浮法的技术