超導(dǎo)磁懸浮列車及超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用

周榕翔

摘要：2000年成功研制出世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車。這意味著我國已經(jīng)具備自主研制磁懸浮列車的能力。本文從電磁學(xué)的角度簡述了常導(dǎo)磁吸型、超導(dǎo)磁斥型磁懸浮列車的基本原理。介紹了超導(dǎo)的零電阻、邁斯納效應(yīng)并展望了超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用及未來發(fā)展。

Abstract： In 2000， the world's first manned high-temperature superconducting maglev experimental vehicle was successfully developed. This means that China has the ability to independently develop maglev trains. From the perspective of electromagnetics， this paper briefly describes the basic principles of the magnetically guided trains of the normally-conducting type and the super-conductive type. The zero-resistance and Meissner effect of superconducting are introduced， and the application and future development of superconducting technology are prospected.

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車;超導(dǎo)磁懸浮;超導(dǎo)體;零電阻;邁斯納效應(yīng);超導(dǎo)技術(shù)

Key words： maglev train;superconducting maglev;superconductor;zero resistance;Meissner effect;superconducting technology

中圖分類號：U266.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0264-03

0? 引言

迄今為止，由工業(yè)革命發(fā)展起來的汽車、輪船、飛機(jī)、火車等傳統(tǒng)交通工具仍在運(yùn)輸行業(yè)中發(fā)揮著很大的作用。但是隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對于交通運(yùn)輸?shù)男枨笠踩找嬖黾?。這些傳統(tǒng)運(yùn)輸方式突顯出來的安全性能低，能源消耗大，空氣污染嚴(yán)重的問題已經(jīng)在不同程度上無法滿足各國及各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。傳統(tǒng)的陸上交通工具的牽引力主要來源于車輪與軌道表面接觸產(chǎn)生，受到摩擦力的影響較大，速度上的提高已經(jīng)達(dá)到極限。因此發(fā)展新型高速，能耗低，污染小的交通方式迫在眉睫。在此背景下，磁懸浮列車應(yīng)運(yùn)而生。

所謂磁懸浮技術(shù)，就是用磁力使得物體懸空，相互作用的物體之間無摩擦。區(qū)別于傳統(tǒng)的交通工具，磁懸浮列車以磁懸浮技術(shù)為理論基礎(chǔ)，包括導(dǎo)向、懸浮和驅(qū)動在內(nèi)的三大系統(tǒng)沒有直接接觸就可以實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸，由于無空氣污染、動力大、低能耗、爬坡力強(qiáng)等優(yōu)勢，磁懸浮列車已經(jīng)在城市軌道交通中成為了極具競爭力的新型綠色路上交通運(yùn)輸工具，是21世紀(jì)最先進(jìn)交通工具之一，被稱為目前世界上最先進(jìn)的列車。20世紀(jì)的60年代以來，世界各國陸續(xù)加入對磁懸浮技術(shù)的研制，建成了長度不同的試驗(yàn)路段。磁懸浮技術(shù)在20世紀(jì)80年代在中國展開了研究。1989年初，第一臺由我國自主研發(fā)的磁懸浮試驗(yàn)樣車在國防科技大學(xué)被研制。1995年，西安交通大學(xué)建成了我國第一條磁懸浮列車試驗(yàn)線，以速度為30公里/時成功進(jìn)行了穩(wěn)定載人運(yùn)行試驗(yàn)，并于2000年成功研制出世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車。這也意味著我國已經(jīng)基本掌握并能自主研制磁懸浮列車[1]。

由于磁鐵間存在同性相斥和異性相吸兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種類別：常導(dǎo)磁吸型和超導(dǎo)磁斥型。他們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)也存在差異。個研究組根據(jù)自身發(fā)展也有各自的青睞。比如德國的科研團(tuán)隊(duì)集中研制的主要是常導(dǎo)高速磁懸浮;然而日本卻更青睞高速超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。而中國對于兩種技術(shù)的研究正在展開。

1? 常導(dǎo)磁懸浮列車

根據(jù)相互作用，我們通常把常導(dǎo)型磁懸浮稱為常導(dǎo)磁吸型，以德國正在研究的高速常導(dǎo)磁浮列車來說，其原理是通過普通的直流電磁鐵異性相互吸引作用來懸起列車，懸浮時車身與軌道之間的間隙很小。常導(dǎo)型的高速磁懸浮在城與城之間長距、快速運(yùn)輸中被寄予厚望，其運(yùn)行速度可以達(dá)到400至500千米/小時。

常導(dǎo)磁吸型利用的是“同性相斥，異性相吸”原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮列車的驅(qū)動和同步直線電動機(jī)原理一模一樣。也就是說，在位于軌道兩側(cè)的線圈里流動的交流電，能將線圈變成電磁體，由于它于列車上的電磁體的相互作用，使列車開動。車頭的N極電磁體與靠前軌道上的S極電磁體發(fā)生吸引作用，于此同時受到靠后軌道上的N極電磁體的排斥作用。這樣使得立車具有向前的動力。在前進(jìn)的過程中，電流在線圈中反向流動，使得S極和N極發(fā)生交換。如此往復(fù)循環(huán)，磁懸浮列車就可以一直前行。

導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于控制列車的穩(wěn)定性。常導(dǎo)型磁懸浮列車的導(dǎo)向系統(tǒng)由安裝在列車側(cè)面，特意用來作為導(dǎo)向的電磁鐵構(gòu)成。行駛過程中列車一旦發(fā)生左右的位移時，這種電磁鐵就會與導(dǎo)向軌的側(cè)面產(chǎn)生排斥力，以這樣的方式使車輛實(shí)現(xiàn)正常行駛。如果列車在彎曲的道路、坡道上行駛，主要是控制系統(tǒng)工作。導(dǎo)向磁鐵中的電流受到控制以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。

我們可以看到列車與軌道之間的相互作用與我們熟知的電動機(jī)工作原理大體相同。相當(dāng)于在車身安置“轉(zhuǎn)子”，而“定子”則被放在軌道上?；陔姶鸥袘?yīng)原理，通電的“定子”可以推動“轉(zhuǎn)子”轉(zhuǎn)動。借助“轉(zhuǎn)子”與“定子”之間的相互作用會實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，使得車身不斷向前運(yùn)動。

2? 超導(dǎo)磁懸浮列車

同樣借助磁相互作用，超導(dǎo)型磁懸浮又被命名為超導(dǎo)磁斥型。主要是借助超導(dǎo)體的完全抗磁性，在運(yùn)行過程中，放置在軌道上的線圈與車身之間產(chǎn)生強(qiáng)大的排斥力以實(shí)現(xiàn)懸浮。磁斥型磁浮列車運(yùn)行速度等于零時不能靜止懸浮。它依靠車輛上的磁體（超導(dǎo)磁體，永磁鐵或常導(dǎo)線圈）在運(yùn)動時割切線路上導(dǎo)體（短路環(huán)）產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流產(chǎn)生的磁力線，必然與產(chǎn)生它的磁力線相反，形成斥力。這類磁浮列車的垂直懸浮力和過曲線時的橫向?qū)蛄Χ际抢眠@個原理實(shí)現(xiàn)的，所以在靜止時沒有懸浮力和導(dǎo)向力。超導(dǎo)技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的開發(fā)為超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的開發(fā)鋪平了道路，使其實(shí)現(xiàn)普及成為可能。

對于高溫超導(dǎo)下磁懸浮來說，必須具備的特征就是其部件必須在某一溫度下實(shí)現(xiàn)完全抗磁以及電阻率為零的無耗散輸運(yùn)。其中一個十分重要的部件就是超導(dǎo)線圈構(gòu)成超導(dǎo)磁鐵，在運(yùn)行過程中，它能夠保證電阻為零，減小損耗。同時可以傳輸強(qiáng)電流，大電流，傳輸效率高，在很大程度上降低了成本。（圖2）

3? 超導(dǎo)

材料的電阻率隨溫度變化的往往會表現(xiàn)出不同的行為，物理上按照這些行為差異將材料劃分為絕緣體、半導(dǎo)體、金屬、半金屬等。最初，人們發(fā)現(xiàn)在研究金屬汞時首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，即將金屬汞降溫至一定程度時。后續(xù)很多實(shí)驗(yàn)組的研究表明在其他金屬或者合金也存在類似的行為即超導(dǎo)。超導(dǎo)體是指的某些材料在一個特定的溫度下，電阻率會降低為零[4]，這樣的材料被稱為超導(dǎo)體。零電阻是超導(dǎo)體一個十分重要的特性。能夠?qū)崿F(xiàn)高電流密度，低損耗傳輸，基于此超導(dǎo)體可以作為電線電纜在電力傳輸中具有極高的應(yīng)用前景。尤其是近期提出的高溫超導(dǎo)電線電纜，能夠大幅度提升國民經(jīng)濟(jì)，給國防建設(shè)帶來高效益。

除了零電阻的特性，超導(dǎo)體在進(jìn)入到超導(dǎo)態(tài)時具有完全抗磁性。這個特性是1933年德國物理學(xué)家邁斯納等人在研究超導(dǎo)體錫單晶發(fā)現(xiàn)的，他們的研究實(shí)驗(yàn)表明假設(shè)降低溫度使錫單晶進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，將其置于在小磁場中，磁力線是無法從錫單晶體內(nèi)穿過的。也就是說，如果一旦給超導(dǎo)體降溫使其進(jìn)入到超導(dǎo)態(tài)，它體內(nèi)的磁場強(qiáng)度就為零我們說它具有完全抗磁性，也叫做 “邁斯納效應(yīng)”。這一效應(yīng)從另一個層面表明，超導(dǎo)態(tài)是一種動態(tài)平衡，與材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的方式無關(guān)。以上兩個效應(yīng)是衡量一個材料是否具有超導(dǎo)性的關(guān)鍵，他們彼此獨(dú)立卻又相互聯(lián)系。零電阻的出現(xiàn)并不能說明邁斯納效應(yīng)的存在，但是確實(shí)其存在的必然條件，也就是說實(shí)驗(yàn)上一個材料必須同時具有零電阻行為及完全抗磁性，才能說明該材料為超導(dǎo)體[5]。

4? 超導(dǎo)的其他應(yīng)用

目前對于超導(dǎo)課題的研究依舊很熱，隨著樣品材料生長手段的不斷優(yōu)化、測試技術(shù)也得到提升，人們試圖去實(shí)現(xiàn)更高溫度的超導(dǎo)體。低成本，高性能的超導(dǎo)材料普及指日可待，目前超導(dǎo)體的研究也已經(jīng)布及多個領(lǐng)域。

人們提出的超導(dǎo)潛艇，沒有了螺旋槳拍打水流，各系統(tǒng)材料超導(dǎo)體作為零件，減小摩擦，很大程度上減小了潛艇航行時的噪音，甚至可以實(shí)現(xiàn)“零噪音”。同時可以簡便地通過增大電壓來實(shí)現(xiàn)超大輸出功率，進(jìn)一步提高潛艇的航行速度。在超導(dǎo)輸電方面：超導(dǎo)輸電有效減少改善輸電損耗，減少空氣中二氧化碳排放量，符合綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。原始的輸配電纜往往具有很大的電阻，使得部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能損耗（一般約5%）。由于超導(dǎo)體零電阻的特性，儲物超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)電纜有望大幅降低電能損耗，提升輸電效率。

5? 總結(jié)

磁懸浮列車?yán)么讼嗷プ饔脼榛驹順O大的提高了運(yùn)行速度，減小摩擦力。而高溫超導(dǎo)磁懸浮以超導(dǎo)特性為出發(fā)點(diǎn)，在未來具有極高的應(yīng)用價值。超導(dǎo)體的普及不僅能夠使得工作效率得到提高，更重要的是能夠減小能源的損耗，降低污染，符合綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。超導(dǎo)材料也將持續(xù)成為研究熱點(diǎn)，比如對于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升的研究。超導(dǎo)材料的普及一定會極大的改善，提高人們的生活質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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