磁悬浮铁路综述

磁悬浮铁路综述

磁悬浮铁路与传统铁路有着截然不同的区别和特点。在传统铁路上运行的列车，是靠机车作为牵引动力，以钢轨和轮缘作为运行导向设备，由铁路线路承受压力，借助于车轮沿着钢轨滚动前进的。而在磁悬浮铁路上运行的列车是利用电磁系统产生的吸引力或排斥力将车辆托起，使整个列车悬浮在线路上，利用电磁力进行导向，并利用直线电机将电能直接转换成推进力来推动列车前进的。

与传统铁路相比，磁悬浮铁路由于消除了轮轨之间的接触，因而无摩擦阻力；线路垂直负荷小，适于高速运行，时速可达500公里以上；无机械振动和噪音，无废气排出和污染，有利于环境保护；能充分利用能源、获得较高的运输效率；列车运行平稳，能提高旅客舒适度；由于磁悬浮系统采用导轨结构，不会发生脱轨和颠覆事故，提高了列车运行的安全性和可靠性；磁悬浮列车由于没有钢轨、车轮、接触导线等摩擦组件，可以省去大量维修工作和维修费用。另外，磁悬浮列车可以实现全自动化控制，因此，磁悬浮铁路将成为未来最具有竞争力的一种交通工具。

二、超导的基本概念

目前，世界上对超导技术的研究已经进入了一个新阶段。各国科学家正在奋力寻找更高临界温度乃至常温下的超导材料，以便在工业应用上实现一个新的飞跃。美国、日本和我国新在这一领域中取得了突破性的成果，处于世界领先地位。

早在1991年，荷兰物理学家K.·昂尼斯在观察低温下水银电阻变化的时候，在温度42K（K是开氏绝对温标，国际单位制的温度单位，0℃= 273.15K）附近发现水银的电阻突然消失，从而揭开了研究超导现象第一页。

超导是元素、合金和化合物在低温区呈现出来的一种特异现象。超导具有两个基本特性：一是理想导电性，即零电阻性质，也就是导体中测不出电阻；第二是完全抗磁性，即超导体内部的磁感应为零，也就是磁场进不了超导体内部。它们所处的低温区远远低于人们所能接触到的地球南、北极的冰雪低温。我们把电阻突变时的温度叫做超导体起始转变温度，或临界温度；把电阻变为零或者实际接近零的温度，叫做零电阻温度。例如，水银的零电阻温度是4.2K，相当于-269℃。出现抗磁性的温度，介于临界温度和零电阻温度之间。为了使超导能达到实际应用的程度，必须获得高临界温度已至常温下的超导材料。这也是各国为之奋斗的目标。

有人曾作过这样的两个试验，来直接观察和了解超导现象和它的两种特性：

第一个试验是在磁场中放置一个用超导材料做成的环。先使温度高于超导临界温度，然后降到临界温度以下。当环进入超导状态后撤掉磁场。由于磁场感应，在环中产生了感应电流。将温度保持在临界温度以下，这个无电源环中所感应的电流竟维持了两年半之久而无明显衰减。这说明环进入了超导状态后，环的电阻变为零，因而无能量损耗，无需加电源补充能量，即可维持环中电流流通。这就是超导体零电阻性质的反映。

第二个试验是把一个铅碗侵入液态氦中，铅进入超导状态。当把一个磁场很强的永久磁铁靠近铅碗表面时，它的磁力线被完全排斥在超导体铅碗之外，使永久磁铁悬空飘浮在铅碗上方。试验表明：对于超导体，不论是先降低温后加磁场，还是先加磁场后降低温度，只要温度降到临界温度时，磁通会突然被排斥到超导体之外，其内部的磁通量永远为零。这种特性称为完全抗磁性。

为什么在低温条件下才能出现超导现象？我们知道，物体内部结构中的原子、电子、分子有规律地排列，组成一定形状的几何图形，成为晶格。而电流是电子的定向流动引起的，它在流动中碰到晶格，引起晶格振动，对电子的流动起阻碍作用。通常，电子之间是互相排斥的，但在一定条件下，通过晶格影响，也会产生吸引力。当吸引力超过排斥力时，电子就结成了所谓的库柏电子对，形成库柏对的电子一起流动，就没有电阻。当温度高的时候，晶格振动的能量增大。当大到一定程度时，库柏电子对就被拆散了。因此，只有把温度降到一定程度，即临界温度，使晶格振动的动能小到拆散库柏电子对能力之下，才能产生超导现象。

超导电流在导体内沿表面流动，在导体内产生方向相反的磁通，使内部总磁场为零。这就是超导体内的完全抗磁性。

然而，怎样才能获得超导体呢？如上所述，超导体是在低温条件下获得的，因此首先必须获得低温。在宇宙空间中，木星上的温度比较低，为100～200K。但人类要使用木星的低温，暂时不可能。所以，就在地球上设法不断地探索和创造这种条件。目前，世界上常用的方法是把超导材料浸泡在液态氦、液态氨和液态氧中，因为它们的绝对温度分别为：4.2K、77.3K、和90.3K。但是制冷技术复杂，代价高。如果能在常温下实现超导，才是最理想的，就可以使超导技术广泛地投入应用。因此，提高超导的临界温度，是当前世界各国科学家面临的一个重大课题。

自1986年以来，超导研究进入了一个新的发展时期，每年均有新的突破，使超导临界温度一跃达到 100K。这个纪录是由中国科学家首先创造的。随后，美籍华裔学者朱经武又发现了零电阻温度为225K的新型超导材料。现在，世界上研究超导的试验小组就有200多个，不断出现新的进展。可以预期，在不远的将来，人类将会实现室温（300K左右）超导的梦想。

常温超导材料的付诸使用，将开辟工业技术革命的新纪元。它可以在很多领域，诸如精密测量、卫星通讯、军事侦察、电力传输和贮存、交通、医学、科学研究等方面得到应用。例如，用超导线绕制的超导线圈，具有磁场强、体积小、重量轻、耗电少的显著优点，被称为第三代磁体。超导磁体在核物理、高能物理中的应用也十分广泛。用超导材料能制成无损耗电力传输线，实现长距离大容量的电能传输。超导体可制成大功率的发电机和电动机，超导材料制成的电机线圈，磁感应强度可提高5～10倍，允许电流密度可提高100～1000倍，在同样功率下，电机重量可大大降低。

室温超导材料用于铁路，引人注目的是超导磁悬浮高速列车。因此，超导技术和磁悬浮列车有着极为密切的关系，了解超导的一般原理和概念，对了解磁悬浮列车的原理和发展，具有很大的帮助。由于超导材料的引入，磁悬浮列车的速度有了大幅度的提高。