第一节科学魔术——磁悬浮

第一节　科学魔术——磁悬浮

随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术，已成为进行相关高科技研究的重要手段。

目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等。其中，电磁悬浮技术已发展得比较成熟。

磁悬浮示意图

磁悬浮技术简称EML技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流，来实现对金属球的悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一种高频涡流。这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛伦兹力的作用。在合适的空间配制下，就可使洛伦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率，使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。一般说来，通过线圈的交变电流频率为104～105赫兹。

同时，金属上的涡流所产生的焦耳热可以使金属熔化，从而达到不用容器也能熔炼金属的目的。目前，在空间材料的研究领域，EML技术在微重力、无容器环境下晶体生长、固化、成核及深过冷问题的研究中发挥了重要的作用。

磁悬浮列车

当前，许多国家都在为提高陆地交通运输的速度、减少甚至消除汽车燃料对环境的污染，而进行着多方面的研究和试验，磁悬浮列车和磁储氢汽车的研究、试验和初步应用便在研究行列之中。

目前，世界上主要有三种类型的磁悬浮。一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。而第三种，就是我国的永磁悬浮，由于它利用的是特殊的永磁材料，因此不需要任何其他的动力支持。

磁悬浮列车利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力。这样，磁悬浮列车车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。

磁悬浮列车是一种没有车轮的、陆上无接触式有轨交通工具，速度可达到每小时500千米。它是利用常导或超导电磁铁，与感应磁场之间产生相互吸引或排斥的力，使列车“悬浮”在轨道上面或下面。因此，在行进时就毫无摩擦了，从而克服了传统列车车轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，并且具有启动、停车快，爬坡能力强等优点。

磁悬浮

一般说来，磁悬浮有两种可能的浮起方法。一种是气浮法，就是使火车向铁轨下的地面大量高速喷气，利用其反作用力使火车从铁轨道上浮起。但是，这样会激扬起大量尘土，并且产生很大的噪声，会对环境造成尘土和噪声污染，因此不可采用。另一种是磁浮法，就是利用火车与铁路轨道之间的磁作用力，使火车从铁轨上浮起来。这样既不会扬起尘土，也不会产生喷气噪声，因而是一种提高火车速度的好方法。

磁悬浮列车浮起运行的原理，是利用列车上磁铁与铁轨上磁铁的不同磁极性之间的磁吸引力而浮起的，是利用列车上磁铁与铁轨上磁铁的相同磁极性之间的磁排斥力而浮起的。列车上磁铁与铁轨两侧的相同磁极性之间的磁排斥力，则使列车保持居中位置，不致左右偏移。

磁悬浮列车

磁悬浮列车所用的产生磁场的磁体，或称磁铁，可以采用永磁体，一般选用磁体或超导磁体或它们组合的复合磁体等。磁悬浮列车的优点较多。例如，运行平稳、舒适性好，安全性高、速度调节范围宽，可适用于不同的距离和不同的要求；噪声低，既无铁轨与车轮的摩擦噪声，又无传动和滚动噪声；平时，由计算机对电力和电子设备进行检测，不需要一般火车的机械等例行检修，因此维护费用较低。但是，修建磁悬浮铁路和制造磁悬浮列车的初投经费却又是相当惊人的，可以说非常非常昂贵。

磁悬浮列车

我国永磁悬浮与国外磁悬浮相比，有五个方面的优势：一是悬浮力强；二是经济性好；三是节能性强；四是安全性好；五是平衡性稳定。

磁悬浮列车浮起运行原理图

槽轨永磁悬浮是专为城市之间的区域交通设计的。列车在高架的槽轨上运行，设计的速度为每小时230千米，既可客运，又可货运。

磁悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理几乎一模一样。通俗地说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，再由于它与列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。

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，同时，又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，N极变成S极。如此循环交替，从而使列车向前奔驰。

“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。这样，在列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面会相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统又可以通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行的目的。

“常导型”磁悬浮列车的构想是由德国工程师赫尔曼肯佩尔于1922年提出的。“常导型”磁悬浮列车把电动机的“转子”布置在列车上，将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”、“定子”间的相互作用，将电能转化为前进的动能。我们知道，电动机的“定子”通电时，通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时，通过电磁感应作用，列车又会像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。

展出的JR磁悬浮MLX01-1实验车

磁悬浮列车在铁轨上方悬浮运行，铁轨与车辆并不接触，不但运行速度快，超过每小时500千米，而且运行平稳、舒适，易于实现自动控制。另外，这种磁悬浮列车还没有噪声污染，不会排出有害的废气，因此对环境的保护非常有利；同时它还可以节省建设经费，其运营、维护和耗能费用低。

它是21世纪理想的超级特别快车，世界各国都十分重视磁悬浮列车的发展。目前，我国和日本、德国、英国、美国等国都在积极研究这种车。而且，日本的超导磁悬浮列车已经有过载人试验，即将进入实用阶段，运行时速可达500千米以上。

到目前，可以讲磁悬浮列车产品在中国，磁悬浮列车技术却仍在德国。但是，我们知道，引进产品是引进不来技术的。我国的轮轨铁路技术有近百年的历史，形成了专门从事机车设计、科研创新的产业大军，拥有数十年设计、制造、运营、维修配套的40多万人的产业链。但是，磁悬浮技术掌握在少数专家、教授手中，是不具备应用条件的。磁悬浮列车需要高架，高架梁的绕度必须小于1毫米。因此，高架桥跨一般要小于25米，桥墩基础要深30米以上。因此，在上海到杭州的地面上，要形成一道200多千米的挡墙。此外，由于运行动力学的影响，轨道两侧100米内都是不允许有其他建筑物的。因此，修建沪杭磁悬浮不仅占地多，而且对环境的影响也比较大。

上面，我们说的都是磁悬浮列车的优点。其实，这些优点显而易见。那么，磁悬浮列车是不是就没有缺点呢？其实不然。2006年，德国磁悬浮控制列车在试运行途中，与一辆维修车相撞，报道称车上共有29人，当场死亡就有23人，经抢救无效又死亡两人，因此实际死亡人数就有25人。另有4人虽保住了生命，却有非常严重的伤残。这说明，磁悬浮列车在突发情况下的制动能力并不可靠，甚至不如轮轨列车。陆地上的交通工具没有轮子是很危险的。因为列车要从动量很大降为静止，就需要克服很大的惯性。因此，只有通过轮子与轨道的制动力来克服。磁悬浮列车没有轮子，如果突然停电，那么，仅靠滑动摩擦是很危险的。此外，磁悬浮列车又是高架的，发生事故时，要在5米高处实施救援很困难。磁悬浮列车没有轮子，要拖出事故现场又是一大难事。如果是区间停电，那么，其他的车辆、吊机也很难靠近。

交通事故