今日科学——超导和超导磁悬浮

1911年,荷兰物理学家昂内斯在研究水银电阻与温度变化的关系时发现,当温度低于4K 时,已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零,对此昂内斯感到震惊.为了进一步证实这一发现,昂内斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验,发现它们中的许多都具有在低温下(这一温度称为超导材料的临界温度)电阻消失变为零的现象.由于在通常条件下导体都有电阻,昂内斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导.在取得一系列成功的实验之后,昂内斯立即正式公布这一发现,并且很快引起科学界的高度重视,昂内斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖.在他之后,人们开始把处于超导状态的导体称为“超导体” 超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失,被称作零电阻效应,导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流,从而产生超强磁场。

1933年,德国物理学家迈斯纳(Meissner)和奥森菲尔德(Ochsebfekd)对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现,在小磁场中使金属冷却进入超导态时,体内的磁力线一下被排出,磁力线不能穿过它的体内,也就是说,超导体处于超导态时,体内的磁场恒等于零,且不论对导体是先降温后加磁场,还是先加磁场后降温,只要进入超导状态,超导体就把全部磁通量排出体外,也就是说,超导体是完全的抗磁体,外加磁场无法进入或(严格说是)大范围地存在于超导体内部,这是超导体的另一个基本特性,被称为“迈斯纳效应”。

产生迈斯纳效应的原因是:当超导体处于超导态时,在磁场作用下,表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反,因而在深入超导区域总合成磁场为零。这一发现非常有意义,在此之后,人们用迈斯纳效应来判别物质是否具有超导性.例如,人们还做过这样一个实验,在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小、磁性很强的永久磁铁,然后把温度降低,使锡出现超导性,这时可以看到,小磁铁竟然离开锡盘表面,飘然升起,与锡盘保持一定距离后,便悬空不动了。这是由于超导体的完全抗磁性,使小磁铁的磁力线无法穿透超导体,磁场发生畸变,便产生了一个向上的浮力利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车.轨道交通工具从最早的蒸汽到现在的电力,速度从几十公里每小时到现在高速铁路的几百公里每小时,但不变的是它们都需要轮子在轨道上行驶,有这么一项颠覆性的技术可以让上百吨的列车悬浮在轨道上离地运行,就是磁悬浮列车。高速磁悬浮是目前轨道交通技术的制高点,轨道与列车间只有10mm间隙,这是真正的贴地飞行,牵涉到室气动力学、悬浮导向控制等多个领域,其科技含量极高。

目前世界上的磁悬浮列车有两种,一种是德国的常导型磁悬浮列车,另一种是日本的超导型磁悬浮列车。

常导型磁悬浮列车采用异极相吸的原理达到悬浮状态,列车的速度为400~500km/h,在中国上海有一辆磁悬浮列车,它的设计速度是430km/h,实际速度是380km/h,使用于从上海轨道交通2号线的龙阳路站到上海浦东国际机场的一条磁悬浮专线,专线全长是29.86km,运行时间是8min。这是由中德两国合作开发的常导型磁悬浮列车.

超导型磁悬浮列车采用材料在临界温度以下电阻为零,出现完全抗磁性,从而利用同极相斥的原理达到悬浮状态,列车的速度为500~ 600km/h,1999年日本研制的MLX01超导型磁悬浮列车的速度达548km/h,同年,该列车的速度又被提升552km/h。2003年,日本将MLX01号超导型磁悬浮列车的速度提高到581km/h,有吉尼斯世界纪录认可,然而2019年,由中国自主研发的高速磁悬浮实验样车在青岛正式下线,速度可达到600km/h,在一些国家对中国发起技术封锁的特殊时期,高速磁悬浮列车的下线让中国在这一领域处于领先地位。

磁悬浮列车的优点是能够高效率地完成载客,无须用活塞、涡轮等活动零件,所以在行驶过程中几乎没有噪声,在运行时不是紧贴着钢轨行驶,而是以悬浮的形式飞驰在轨面上,相对于其他有轮列车车轮与轨道的摩擦、撞击,磁悬浮列车利用电磁力实现无接触支撑和导向,其运行阻力只有空气阻力,所以更节能,磁悬浮的磁场强度在列车内部非常低,与地球磁场相当,远低于家用电器,不需要考虑电磁辐射。磁悬浮列车具有快速、低耗、环保、安全等优点,因此应用前景十分广阔。

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