磁懸浮鐵路綜述

磁懸浮鐵路綜述

磁懸浮鐵路與傳統鐵路有著截然不同的區別和特點。在傳統鐵路上運行的列車，是靠機車作為牽引動力，以鋼軌和輪緣作為運行導向設備，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產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，利用電磁力進行導向，并利用直線電機將電能直接轉換成推進力來推動列車前進的。

與傳統鐵路相比，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，能提高旅客舒適度；由于磁懸浮系統采用導軌結構，不會發生脫軌和顛覆事故，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、超導的基本概念

目前，世界上對超導技術的研究已經進入了一個新階段。各國科學家正在奮力尋找更高臨界溫度乃至常溫下的超導材料，以便在工業應用上實現一個新的飛躍。美國、日本和我國新在這一領域中取得了突破性的成果，處于世界領先地位。

早在1991年，荷蘭物理學家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，國際單位制的溫度單位，0℃= 273.15K）附近發現水銀的電阻突然消失，從而揭開了研究超導現象第一頁。

超導是元素、合金和化合物在低溫區呈現出來的一種特異現象。超導具有兩個基本特性：一是理想導電性，即零電阻性質，也就是導體中測不出電阻；第二是完全抗磁性，即超導體內部的磁感應為零，也就是磁場進不了超導體內部。它們所處的低溫區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體起始轉變溫度，或臨界溫度；把電阻變為零或者實際接近零的溫度，叫做零電阻溫度。例如，水銀的零電阻溫度是4.2K，相當于-269℃。出現抗磁性的溫度，介于臨界溫度和零電阻溫度之間。為了使超導能達到實際應用的程度，必須獲得高臨界溫度已至常溫下的超導材料。這也是各國為之奮斗的目標。

有人曾作過這樣的兩個試驗，來直接觀察和了解超導現象和它的兩種特性：

第一個試驗是在磁場中放置一個用超導材料做成的環。先使溫度高于超導臨界溫度，然后降到臨界溫度以下。當環進入超導狀態后撤掉磁場。由于磁場感應，在環中產生了感應電流。將溫度保持在臨界溫度以下，這個無電源環中所感應的電流竟維持了兩年半之久而無明顯衰減。這說明環進入了超導狀態后，環的電阻變為零，因而無能量損耗，無需加電源補充能量，即可維持環中電流流通。這就是超導體零電阻性質的反映。

第二個試驗是把一個鉛碗侵入液態氦中，鉛進入超導狀態。當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體之外，其內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超導現象？我們知道，物體內部結構中的原子、電子、分子有規律地排列，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，也會產生吸引力。當吸引力超過排斥力時，電子就結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。當溫度高的時候，晶格振動的能量增大。當大到一定程度時，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，才能產生超導現象。

超導電流在導體內沿表面流動，在導體內產生方向相反的磁通，使內部總磁場為零。這就是超導體內的完全抗磁性。

然而，怎樣才能獲得超導體呢？如上所述，超導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，就在地球上設法不斷地探索和創造這種條件。目前，世界上常用的方法是把超導材料浸泡在液態氦、液態氨和液態氧中，因為它們的絕對溫度分別為：4.2K、77.3K、和90.3K。但是制冷技術復雜，代價高。如果能在常溫下實現超導，才是最理想的，就可以使超導技術廣泛地投入應用。因此，提高超導的臨界溫度，是當前世界各國科學家面臨的一個重大課題。

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

常溫超導材料的付諸使用，將開辟工業技術革命的新紀元。它可以在很多領域，諸如精密測量、衛星通訊、軍事偵察、電力傳輸和貯存、交通、醫學、科學研究等方面得到應用。例如，用超導線繞制的超導線圈，具有磁場強、體積小、重量輕、耗電少的顯著優點，被稱為第三代磁體。超導磁體在核物理、高能物理中的應用也十分廣泛。用超導材料能制成無損耗電力傳輸線，實現長距離大容量的電能傳輸。超導體可制成大功率的發電機和電動機，超導材料制成的電機線圈，磁感應強度可提高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。

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