国产600公里时速磁悬浮下线!想知道它的运行原理?钱报《成长读本》告诉你

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钱江晚报·小时新闻记者 陈伟斌 王湛

“贴地飞行”、“中国速度”……2021年7月20日,由中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的我国时速600公里高速磁浮交通系统在青岛成功下线!实际上,据封面新闻报道,在今年1月13日,世界首台高温超导高速磁浮工程化样车及试验线就已在成都下线启用。这台重达12吨的样车就像是漂浮在水面的一片叶子,仅用手就能轻松向前推动,其时速则高达620千米,是我国自主研发设计、自主制造的,标志着高温超导高速磁浮工程化研究实现从无到有的突破。

对于不接触轨道,悬浮在空气中高速行驶的磁悬浮列车,大家是不是会觉得很神奇?

磁悬浮列车的高速运行是怎么实现的呢?其中包含了哪些主要的物理原理?为此,我们在当时就邀请到了杭二中物理老师葛晓东,从电磁效应、电磁感应等中学物理知识点,来给大家科普一下这台高温超导高速磁浮工程化样车的运行原理。

“同性相斥”原理

让列车悬浮起来

为啥磁悬浮列车可以跑那么快?其实,这主要还是和大家物理课上的两大知识点有关——电和磁。

葛晓东说,磁悬浮列车跑得快的秘密之一,来源于“电流的磁效应”这个原理。葛老师说了个小故事:1820年,丹麦物理学家奥斯特把一根很细的铂丝放在一个被玻璃罩罩着的小指南针上方。接通电流的一瞬间,指南针转动了一下,这正是他苦苦求证的电流磁效应。此后法国物理学家安培又通过大量的实验研究了电流间的相互作用,并且提出了著名的分子电流假说:磁性物质中每个分子都有一段微观电流,每个分子的圆电流会形成一个小磁体。

“在磁性物质中,这些电流沿磁轴方向规律地排列,从而显现一种绕磁轴旋转的电流,如同螺线管电流一样。”葛老师说,这就是电流间产生的相互作用力,它与两块磁铁间的“异性相吸、同性相斥”作用力类似。“同性相斥”时,两块磁铁中间有股看不见的力量,在极力“拒绝”两块磁铁相吸。

磁悬浮列车亦是如此。在悬浮列车运行过程中,车体与轨道会始终处于一种“若即若离”的状态——据媒体报道,西南交大设计研究院有限公司高级工程师吴自立介绍,自悬浮、自稳定、自导向,是它最大的特点。列车底部安装有超导体,轨道则是永磁体,在液氮的作用下,两者产生了“若即若离、又不离不弃”的“钉扎”特性。

西南交通大学邓自刚教授在接受媒体采访时说,这一车辆采用的是自悬浮系统,不需要额外的一些控制或者电源,就靠其自身的常导材料跟永磁轨道,就可以实现一个自稳定的悬浮。

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“悬浮”会有什么优势?当普通火车在车轨上开动时,车轮是在车轨上行驶,那么就存在摩擦,有摩擦就有阻力,有阻力就会影响速度。

这么一说,大家就都理解了吧——悬浮,就是为了尽可能的消除摩擦力。也就是说,当悬浮列车和轨道都被通电并形成同性磁场时,强大的电磁效应将列车排斥离轨道,从而减小摩擦力,使列车可以具有很大的速度。

电和磁的力量

推动车体高速行驶

磁悬浮列车没有引擎还能高速运行,广义上也是应用了磁铁吸力和排斥力类似原理来推动列车前行。

“只要穿过闭合回路中的磁通量发生变化,闭合回路中就会产生感应电流,如果电路不闭合,就会产生感应电动势,这就是我们通常所说的磁生电了。”葛老师说,这种利用磁场产生电流的现象叫电磁感应。

据悉,目前任何一种磁浮列车制式都能实现悬浮、导向、驱动这三项最重要的功能。邓自刚曾介绍,导向也可以用“感生电”来解释,更形象的解释是高温超导材料具有磁通钉扎特性,对磁力线有束缚作用,从而实现导向功能。他解释,由于超导体在轨道上方,磁力线将穿透超导体,但如果磁力线被钉扎在超导体里面,要想移动超导体,它就会产生一个回复力,阻碍车体的移动,所以说回复力会起到导向作用,使列车不会发生脱轨。

这对列车运行有什么作用呢?原来,磁悬浮列车底部有好比通电线圈(相当于磁铁)的超导体设备,固定在轨道上的金属框就会在磁悬浮列车靠近时产生感应电流,金属框中感应电流产生的磁场与磁悬浮列车底部的通电线圈就会产生力的作用。

于是磁悬浮列车的车厢就会变成一节节带有N极和S极的电磁铁,轨道磁铁的N极与列车上磁铁N极相斥,便会将列车往前推,而下一节轨道磁铁的N级与列车磁铁的S相吸会将列车往前拉。

也就是说,轨道上的电磁铁会根据列车前进而不断变化磁极,在利用超导体产生抗磁作用使列车向上浮起而离开轨道的同时,利用周期性地变换磁极方向产生运动的磁场,从而使车获得推动力。

为了减小线圈中的热损耗,磁悬浮列车下部的导线圈材料采用的是超导材料。因为超导材料在达到一定温度时,电阻为零。所以,超导线圈的作用就是使列车获得上浮、推进、导向力。

中国的高温超导磁悬浮技术与低温超导的原理基本相同,但它的工作温度为-196℃。虽然-196℃并不是我们通常意义上的“高温”,但是比低温超导接近绝对零度(约等于-273.15℃)的温度明显要高得多了。

真空管道运输

到底能有多快

接下来,我国计划结合未来真空管道技术,开发填补陆地交通和航空交通速度空白的综合交通系统,将为远期向1000km/h以上速度值的突破奠定基础,从而构建陆地交通运输的全新模式,促进轨道交通发展的前瞻性、颠覆性变革。

理论上,真空管道运输是一种可以一天之内进行洲际往返的交通模式。

从目前的设想来看,这种技术就是在一根大型的真空管道中实现的。技术原理是在地面或地下建一个密闭的管道,用真空泵抽成真空或部分真空。在这样的环境中开行车辆(不一定是磁浮列车),行车阻力就会大大减小,并可有效降低能耗,同时气动噪声也可大大降低,符合环保要求。

虽说真空管道技术至今都还处在设想方案阶段,可实际上这个设想早在上世纪初就被提出来了。

至于动力能源,国内媒体曾报道称,有科学家称这类运输技术载体将使用自供电设计,通过在管道上部铺设太阳能面板,产生足够的电能维持运行。同时,尽管真空管道运输能够达到超高速度,但乘客却不会感受到高强度的加速度。它将比火车和飞机更安全、更便宜、更安静。如果乘坐真空管道磁悬浮列车从北京出发到美国华盛顿,也许只需要2个小时。

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我们国家确实也在进行这方面的尝试。

真空管道运输技术依旧存在大量现实问题,其中至关重要的安全问题亦无法完全保证,所以想要坐上真空管道运输器,我们或许还要再等一等。


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