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第23章 磁悬浮列车

磁悬浮列车是一种新型列车,是铁路技术中一项新兴的技术成果。传统火车虽然几经提速,可提升速度的最大的瓶颈,在于铁轨与车轮间的摩擦。我们知道,火车的重量是很大的,因此对铁轨的压力就很大,然而减轻火车的重量显然是不现实的。因此要降低摩擦力,还是要在降低摩擦系数上下工夫,而我们又找不到一个经济合理的方法,把铁轨的摩擦系数降得更低。

在做运动学实验的时候,也有这个问题,要尽量减小实验用的重物与平面间的摩擦。在今天的实验室里,我们用气垫导轨解决这个问题。光洁的铝制导轨上布满了气孔,喷出气体,在实验用的滑块与导轨间形成了一层薄薄的气垫。滑块与导轨不接触,摩擦力基本就等于零了。

但是气垫导轨的方法对重量、个头都大的火车显然并不适用,因为经济上非常不划算,而且技术上,也很难把喷气孔的功率提升到可以支撑火车重量的程度。这可怎么办呢?

先来看看这个实验。

氦气在-269℃时会变成液氦,如果再降2℃(通常靠蒸发液氦获得,因为液氦蒸发时会带走一部分汽化热),投入铅碟,再用磁棒靠近它。这时,若你的手脱离了磁棒,则磁棒不会因为重力作用向下运动而是悬浮在半空中。这是什么缘故呢?

1911年,荷兰物理学家卡曼林·昂尼斯(1853~1926)发现,汞在-269℃以下,电阻可以降为零。昂尼斯将这种现象称为超导性,将具有这种性质的物体称为超导体。很多物质在低温下都具有超导性。

铅碟在液氦中会变成超导体。在用磁棒靠近铅碟的过程中,越来越多的磁力线穿过铅碟,于是就产生感应电动势,并产生强大的感应电流。在没有任何阻力时,电流使整个铅碟转变为一个强有力的电磁铁,从而可以将磁棒支撑在半空中。

少量电能可使超导线圈产生极强磁场和完全排斥外来磁力线的两个特性是很令人兴奋的,因为利用超导体的这两个性质,就能够使列车悬浮起来。

在高速悬浮列车的下部,装置了多组超导线圈,通电后即会产生强磁场。这一磁场在列车前进时与路基上一连串的矩形铝环(铝轨)相切割,使环形铝轨产生感应电流,这感应电流所产生的磁力线与车上超导线圈中电流产生的磁力线方向相反,因而被完全排斥。只要列车时速超过150千米,多组超导线圈的铝轨间的斥力,就足以克服列车的重量,使列车悬浮在离铝轨约10厘米的上方“腾空”运行。这就是磁悬浮列车的基本原理。

磁悬浮列车的另一个核心设备,是直线电机。

一般电动机工作时都是转动的,但是用旋转电机来驱动的交通工具要做直线运动,用旋转电机来驱动机器的一些部件也要做直线运动。这就需要有把旋转运动变为直线运动的一套装置。于是,人们想出了这样的问题:能不能直接利用直线运动来驱动,而省去这套装置呢?几十年后的今天,已制成了利用直线运动的电动机,这就是直线电机。

直线电机的原理并不复杂。设想把一台旋转感应电动机沿着一条半径的方向剖开,并且展平,就成了一台直线感应电动机。在直线电机中,相当于旋转电机定子的,叫初级;相当于旋转电机转子的,叫中次级。初级中通以交流电,次级在电磁力的作用下就沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级不需要那么长。

实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。

直线电机是一种新型电机,近年来应用日益广泛,磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。可为什么一定要用直线电机呢?

我们知道,传统的列车由于车轮和铁轨之间有摩擦,所以速度已经达到了极限,它所能达到的最高运行速度为300千米/小时左右。要超过这个速度,一方面我们已经用磁悬浮轨道解决了摩擦问题;另一方面,用旋转电机来驱动列车就不理想了,但是用直线电机来驱动却很合适。

直线电机的一个级固定于地面,跟导轨一起延伸到远处,另一个级安装在列车上。初级通以交流电,列车就可以沿导轨前进。

实际上,我们刚才说过要利用磁悬浮使列车跟导轨脱离接触,减小摩擦,而列车上装有磁体,用的就是兼用直线电机的线圈。线圈随列车运动时,使设在地面上的金属板或线圈中出现感生电流。利用磁体和感生电流之间的电磁力把列车悬浮起来。

日本已经建立了几千米的磁悬浮列车线,运行速度高达500千米/小时以上,欧美等国也有部分磁悬浮列车线路开通。到了21世纪初的今天,磁悬浮列车实用化的目标在中国已经实现了,中国的磁悬浮列车业已研发成功了。目前,正处在运行实验阶段。

另外,直线电机除了用于磁悬浮列车,还可广泛地用于其他方面,例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。在我国,直线电机也逐步得到推广和应用。直线电机的原理虽然不复杂,但在设计、制造方面有它自己的特点,产品还没有旋转电机那样成熟,有待进一步研究和改进。电磁悬浮技术电磁悬浮技术,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,可使洛伦兹力的方向与重力方向相反,通过改变高频电源的功率使电磁力与重力相等,即可实现电磁悬浮。