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一种新型的轨道交通:磁悬浮列车
一种新型的轨道交通:磁悬浮列车
王克诚·杨发文
据最近报道,上海市磁悬浮列车工程正式启动,这是上海市政府为解决快捷运送人流,改善城市交通做出的重大举措。报道说:“第一列磁悬浮列车将在2003年初在上海出现,这是一个从德国引进的合作项目。磁悬浮列车运行将从浦东地铁二号线一端的龙阳路到浦东国际机场,全长33千米,双线行驶,设计最大时速为450千米,单向运行时间8分钟。”那么,什么是磁悬浮(简称磁浮)列车呢?它是根据什么原理运行的?它与传统列车有什么区别呢?
一、磁浮原理
磁浮有3个基本原理。第一个原理是当靠近金属的磁场改变,金属上的电子会移动,并且产生电流。第二个原理就是电流的磁效应。当电流在电线或一块金属中流动时,会产生磁场。通电的线圈就成了一块磁铁。磁浮的第三个原理我们就再熟悉不过了,磁铁间会彼此作用,同极性相斥,异极性相吸。
现在看看磁浮是如何作用的:磁铁从一块金属的上方经过,金属上的电子因磁场改变而开始移动(原理一)。电子形成回路,所以接着也产生了本身的磁场(原理二)。图1以最简单的方式来表达这个过程,移动中的磁铁,使金属中出现一块假想的磁铁。这块假想磁铁具有方向性,因是同极性相对,因此会对原有的磁铁产生斥力。也就是说,如果原有的磁铁是北极在下,假想磁铁则是北极在上。反之亦然。
图1 磁浮原理
因为磁铁的同极相斥(原理三),让磁铁在一块金属上方移动,结果会对移动中的磁铁产生一股往上推动的力量。如果磁铁移动得足够快,这个力量会大得足以克服向下的重力,举起移动中的磁铁。所以当磁铁移动时,会使得自己浮在金属上方,并靠着本身电子移动产生的力量,保持浮力。这个过程就是所谓的磁浮。
图2 磁浮列车
这个原理可以适用在列车上,如图2,如果在列车的地板上安装一些磁铁,列车一开动(例如,可以收起的充气胎),就可产生向上的力量。这个时候,列车就像飞机在跑道上加速准备起飞。当向上的力量足够时,就可使得列车离开地面,浮在金属导轨之上。事实上,列车经过特别的设计,使得车厢在离地面10mm到150mm处。这样列车就可以飞速前进了。
从以上的讨论,我们可以发现磁浮列车的第一个优点。因为没有轮子和铁轨,它就没有轮轨间的摩擦力所造成的能量损失。如此一来,就少了一个传统列车的主要能量损耗来源。理论上,就只剩下风阻会影响列车的行车速度了。
如果观察一下列车是怎样行进的,就可以发现磁浮列车的第二个优点。虽然同极性会相斥(用以产生浮力),但异性可以相吸。磁浮列车就是运用这个原理前进的。
图3 磁浮列车周围的磁波
当列车下方导轨因电子运动而产生浮力的同时,两侧导轨的线路开始通电,产生另一组比列车稍前的磁铁。经过特殊安排,导轨上的南极,会靠近列车上的磁北极。由于这股吸力,列车得以往前移动。导轨两侧的电流,通过调整,得以让这股吸引磁力恰好落在列车前方。事实上,列车是陷在所谓的磁波或磁场之中。我们可以想象导轨两侧移动的磁铁产生一股波浪,列车就像骑在这浪头的冲浪者一样(图3)
二、超导磁铁
列车内部的磁铁显然是磁浮列车的关键技术,虽然未来仍会有不断改进的可能,但目前磁铁的制造问题,大部分已经解决了。它们不是一块块的铁(像我们用在冰箱上压着便条纸的磁铁),而是以电力驱动的电磁铁。
德国捷运(Trans Rapid)系统的普通铜线制作电磁铁,运用的电源同于列车前进所用的电源。这是可行的。但是新一代磁浮列车更可能使用的,则是以超导线制作的电磁铁(就像现有日本的磁浮原型机)。具有超导特性的物质在常温下表现平常,可是在低温下,特性却会突然改变,在超导状态下,可以毫无耗损地传导电流。一旦电流在超导线圈中流动,就会永远流动下去,即使最初的电源已经中断也依然如此。
在普通的铜线中,构成电流的移动电子经常会碰撞铜原子,这时电子会失去能量,铜原子则振动加快。铜线从电流中获得能量,并使本身的温度上升——这就是大家熟知的所谓电流的热效应。
超导体的现象则远为复杂,一个电子快速通过金属离子之间,产生一股力量把离子拉向自己。由于电子的移动很快,可在原子反应之前就已离开。结果,第一个电子通过后,两个金属原子会比原来电子更为靠近。这样一来,反而会吸引另一个电子,跟着第一个电子的路径移动。通过金属的两个电子,就像公路上两个竞赛的自行车手——第一个选手通过的路径,会使第二位选手跑起来更容易。如果温度足够低,使得振动不会影响上述过程的平衡,所有的电子就会成对地运动。此外,所有的电子对会互相缠绕,使得所有的电子连结在一起。如果假想两个电子是一根面条的两端,则所有电子就像一碗纠结在一起的面条。
结果电子就会畅通无阻地通过金属,不会消耗任何能量在碰撞上,因为如果要分开一个电子,就得分开所有的电子。由
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