錢江晚報·小時新聞 記者 王湛

對于不接觸軌道，懸浮在空氣中高速行駛的磁懸浮列車，同學們是不是會覺得很神奇？

據封面新聞報道，1月13日，世界首台高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在成都下線啟用。這台重達12噸的樣車就像是漂浮在水面的一片葉子，僅用手就能輕松向前推動，其時速則高達620千米，是我國自主研發設計、自主制造的，标志着高溫超導高速磁浮工程化研究實現從無到有的突破。

磁懸浮列車的高速運行是怎麼實現的呢？其中包含了哪些主要的物理原理？

本期，我們邀請到了杭二中物理老師葛曉東，從電磁效應、電磁感應等中學物理知識點，來給大家科普一下這台高溫超導高速磁浮工程化樣車的運行原理。

“同性相斥”原理

讓列車懸浮起來

為啥磁懸浮列車可以跑那麼快？其實，這主要還是和大家物理課上的兩大知識點有關——電和磁。

葛曉東說，磁懸浮列車跑得快的秘密之一，來源于“電流的磁效應”這個原理。葛老師說了個小故事：1820年，丹麥物理學家奧斯特把一根很細的鉑絲放在一個被玻璃罩罩着的小指南針上方。接通電流的一瞬間，指南針轉動了一下，這正是他苦苦求證的電流磁效應。此後法國物理學家安培又通過大量的實驗研究了電流間的相互作用，并且提出了著名的分子電流假說:磁性物質中每個分子都有一段微觀電流，每個分子的圓電流會形成一個小磁體。

“在磁性物質中，這些電流沿磁軸方向規律地排列，從而顯現一種繞磁軸旋轉的電流，如同螺線管電流一樣。”葛老師說，這就是電流間産生的相互作用力，它與兩塊磁鐵間的“異性相吸、同性相斥”作用力類似。“同性相斥”時，兩塊磁鐵中間有股看不見的力量，在極力“拒絕”兩塊磁鐵相吸。

磁懸浮列車亦是如此。在懸浮列車運行過程中，車體與軌道會始終處于一種“若即若離”的狀态——據媒體報道，西南交大設計研究院有限公司高級工程師吳自立介紹，自懸浮、自穩定、自導向，是它最大的特點。列車底部安裝有超導體，軌道則是永磁體，在液氮的作用下，兩者産生了“若即若離、又不離不棄”的“釘紮”特性。

西南交通大學鄧自剛教授在接受媒體采訪時說，這一車輛采用的是自懸浮系統，不需要額外的一些控制或者電源，就靠其自身的常導材料跟永磁軌道，就可以實現一個自穩定的懸浮。

“懸浮”會有什麼優勢？當普通火車在車軌上開動時，車輪是在車軌上行駛，那麼就存在摩擦，有摩擦就有阻力，有阻力就會影響速度。

這麼一說，大家就都理解了吧——懸浮，就是為了盡可能的消除摩擦力。也就是說，當懸浮列車和軌道都被通電并形成同性磁場時，強大的電磁效應将列車排斥離軌道,從而減小摩擦力,使列車可以具有很大的速度。

電和磁的力量

推動車體高速行駛

磁懸浮列車沒有引擎還能高速運行，廣義上也是應用了磁鐵吸力和排斥力類似原理來推動列車前行。

“隻要穿過閉合回路中的磁通量發生變化，閉合回路中就會産生感應電流，如果電路不閉合，就會産生感應電動勢，這就是我們通常所說的磁生電了。”葛老師說，這種利用磁場産生電流的現象叫電磁感應。

據悉，目前任何一種磁浮列車制式都能實現懸浮、導向、驅動這三項最重要的功能。鄧自剛曾介紹，導向也可以用“感生電”來解釋，更形象的解釋是高溫超導材料具有磁通釘紮特性，對磁力線有束縛作用，從而實現導向功能。他解釋，由于超導體在軌道上方，磁力線将穿透超導體，但如果磁力線被釘紮在超導體裡面，要想移動超導體，它就會産生一個回複力，阻礙車體的移動，所以說回複力會起到導向作用，使列車不會發生脫軌。

這對列車運行有什麼作用呢？原來，磁懸浮列車底部有好比通電線圈（相當于磁鐵）的超導體設備，固定在軌道上的金屬框就會在磁懸浮列車靠近時産生感應電流，金屬框中感應電流産生的磁場與磁懸浮列車底部的通電線圈就會産生力的作用。

于是磁懸浮列車的車廂就會變成一節節帶有N極和S極的電磁鐵，軌道磁鐵的N極與列車上磁鐵N極相斥，便會将列車往前推，而下一節軌道磁鐵的N級與列車磁鐵的S相吸會将列車往前拉。

也就是說，軌道上的電磁鐵會根據列車前進而不斷變化磁極，在利用超導體産生抗磁作用使列車向上浮起而離開軌道的同時，利用周期性地變換磁極方向産生運動的磁場，從而使車獲得推動力。

為了減小線圈中的熱損耗，磁懸浮列車下部的導線圈材料采用的是超導材料。因為超導材料在達到一定溫度時，電阻為零。所以，超導線圈的作用就是使列車獲得上浮、推進、導向力。

中國的高溫超導磁懸浮技術與低溫超導的原理基本相同，但它的工作溫度為-196℃。雖然-196℃并不是我們通常意義上的“高溫”，但是比低溫超導接近絕對零度（約等于-273.15℃）的溫度明顯要高得多了。

興趣小組：

真空管道運輸，到底能有多快

接下來，我國計劃結合未來真空管道技術，開發填補陸地交通和航空交通速度空白的綜合交通系統，将為遠期向1000km/h以上速度值的突破奠定基礎，從而構建陸地交通運輸的全新模式，促進軌道交通發展的前瞻性、颠覆性變革。

理論上，真空管道運輸是一種可以一天之内進行洲際往返的交通模式。

從目前的設想來看，這種技術就是在一根大型的真空管道中實現的。技術原理是在地面或地下建一個密閉的管道，用真空泵抽成真空或部分真空。在這樣的環境中開行車輛（不一定是磁浮列車），行車阻力就會大大減小，并可有效降低能耗，同時氣動噪聲也可大大降低，符合環保要求。

雖說真空管道技術至今都還處在設想方案階段，可實際上這個設想早在上世紀初就被提出來了。

至于動力能源，國内媒體曾報道稱，有科學家稱這類運輸技術載體将使用自供電設計，通過在管道上部鋪設太陽能面闆，産生足夠的電能維持運行。同時，盡管真空管道運輸能夠達到超高速度，但乘客卻不會感受到高強度的加速度。它将比火車和飛機更安全、更便宜、更安靜。如果乘坐真空管道磁懸浮列車從北京出發到美國華盛頓，也許隻需要2個小時。

我們國家确實也在進行這方面的嘗試。

真空管道運輸技術依舊存在大量現實問題，其中至關重要的安全問題亦無法完全保證，所以想要坐上真空管道運輸器，我們或許還要再等一等。

思考題

1．目前許多國家都在研制磁懸浮列車，我國擁有全部自主知識産權的第一條磁懸浮列車試驗線已建成通車（如圖）。一種磁懸浮列車的車廂和鐵軌上分别安放着磁體，車廂用的磁體大多是通過強大電流的電磁鐵，現有下列說法：

①磁懸浮列車利用了磁極間的相互作用；

②磁懸浮列車利用了異名磁極互相排斥；

③磁懸浮列車消除了車體與軌道之間的摩擦；

④磁懸浮列車增大了車體與軌道之間的摩擦。

正确的組合是

A．①③ B．①④ C．②③ D．②④

【答案】A

【解析】磁懸浮列車利用磁極間的相互作用的特性而與鐵軌分離，這樣它在前進過程中不再受到與鐵軌之間的摩擦阻力，而隻會受到空氣的阻力。故A正确。

2．我國已成功研制出一種磁懸浮高速列車，磁懸浮列車是在車輛底部安裝電磁鐵，在軌道兩旁鋪設一系列的鋁環。當列車運行時，電磁鐵産生的磁場相對鋁環運動，列車淩空浮起，從而提高列車的速度.以下說法正确的是

A．當列車通過鋁環時，鋁環中有感應電流，當列車停下時，鋁環中的感應電流仍存在

B．當列車通過鋁環時，鋁環中有感應電流，當列車停下時，鋁環中的感應電流消失

C．當列車靠近鋁環時，鋁環中感應電流産生的磁場方向與電磁鐵産生的磁場方向相同

D．當列車離開鋁環時，鋁環中感應電流産生的磁場方向與電磁鐵産生的磁場方向相反

【答案】B

【詳解】

AB．列車通過鋁環時，穿過鋁環的磁通量發生變化，鋁環中産生感應電流，當列車停下時，穿過鋁環的磁通量不再變化，鋁環中的感應電流消失，故A錯誤，B正确；

C．列車靠近鋁環時，鋁環中磁通量增加，由楞次定律可知，鋁環中感應電流的磁場方向與電磁鐵的磁場方向相反，故C錯誤；

D．當列車離開鋁環時，鋁環中磁通量減少，由楞次定律可知，鋁環中感應電流産生的磁場方向與電磁鐵産生的磁場方向相同，故D錯誤；

故選B。

3．磁懸浮列車需要很強的磁場，因此線圈中的電流将非常大．用超導材料做磁懸浮線圈主要是因為

A．超導線圈強度大

B．隻有超導線圈才能産生強磁場

C．低于臨界溫度時，超導線圈無電阻不發熱

D．低于臨界溫度時，超導線圈有電阻但不發熱

【答案】C

【詳解】

線圈強度與是否是超導體無關，故A錯誤；隻要電流大就能産生強磁場，故B錯誤；達到臨界溫度時，超導體電阻變為零，根據Q=I2Rt可知，産生熱量為零，減小能量損耗，超導材料做磁懸浮線圈正是用了超導體的這一特性，故C正确，D錯誤．故選C．

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來源：錢江晚報·小時新聞

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