磁懸浮列車 你知道原理是什麼嗎?
2025-04-23 05:54:25
磁懸浮列車是一種通過磁力來輔助列車前進的技術，早在20實際初的時候磁懸浮技術就已經被提出來了，但直到2005年的時候德國才製造除了世界上第一輛磁懸浮列車，今天小編要來跟大家說一說磁懸浮列車的原理以及中國自己的磁懸浮列車。
磁懸浮火車
磁懸浮火車是今世界的快節奏運作，要求速度更快的運輸工具。沒有車輪的陸上無接觸式有軌交通工具，時速可達到500公裡。以新材料、新技術為基礎開發新型的高速火車。
磁懸浮列車是世界各國研製最早的新型列車之一，它藉助於磁力來懸浮、導引與驅動車輛。磁懸浮列車不同於普通鐵路列車的主要特徵是它不使用車輪，而依靠電磁作用力把車輛懸浮在軌道上方，除了空氣摩擦之外，沒有輪軌接觸所帶來的阻力，從而克服了傳統列車車軌粘著限制、機械噪聲和磨損等問題，並且具有啟動、停車快和爬坡能力強等優點。 普通列車是靠內燃機車或者電力機車來牽引的。其次，磁懸浮列車的推動力來自於直線電機，它的動力直接產生於列車和軌道之間，在高速行駛時就像一架超低空飛行的飛機，時速可達到500~1000千米。
磁懸浮技術的原理
使用磁懸浮技術，而不讓相對運動物體直接接觸，明顯好處就是摩擦力的減少。高速列車、高速轉動的泵和風電機組使用磁懸浮技術均利用了這一特點。摩擦力的起因複雜，並不僅僅源於兩接觸表面的粗糙不平，還與接觸面的局部形變有關，也與表面分子的引力有關。
摩擦力產生的熱量不僅是一種能量的浪費，在高速運動的情況下，局部過熱還可能引起不必要的形變，影響設備的壽命和性能。不管是接觸面的局部形變，還是表面分子的引力，磁懸浮都可以讓運動的列車和靜止的導軌分離，避免了固體表面接觸所產生的摩擦力。雖然磁懸浮列車在磁場中運動也有阻力，但是這個阻力通常遠遠小於火車與普通鐵軌之間的摩擦力。
我們把玩兩塊磁鐵，可以體會到磁鐵間的斥力，但想靠斥力讓其中一塊磁鐵穩定地懸空是不可能的。物理上穩定的懸浮是有條件的，穩定懸浮的一個方法是使用抗磁性材料。最著名的抗磁性材料是超導體。顧名思義，超導體的一個必要條件是無限大電導，另一個必要條件是完全抗磁性。高溫超導的基礎研究之所以重要，一個原因就是因為它有廣泛的應用前景，比如能輕易實現磁懸浮。
我們以超導體為例，示範一種磁懸浮的工作機制。下圖表面感生電流的產生方式可以用如下方法直觀理解：把磁體的南北極理解為一對正負磁荷（孤立磁荷實際上是不存在的！），超導體相當於一面鏡子，鏡子裡面產生一對鏡像的正負磁荷（實際上也是不存在的！）：正磁荷在正鏡像磁荷之上，負磁荷在負鏡像磁荷之上；這樣，超導體表面上的磁體受到一個來自表面的斥力。或者也可以從磁通線的角度來理解：由於超導體的完全抗磁性，磁鐵產生的磁通線無法穿越超導體，於是靠近超導體表面的磁通線被擠壓，從而產生了提供懸浮的磁力。
運行的磁懸浮列車遠比上面的解釋要複雜得多，需要考慮加減速、穩定性和安全性、維持超導的低溫環境等。
磁懸浮列車的推進可以依靠變化的磁場實現，列車本身可以不需要引擎。在有導軌的情況下，不一定需要使用抗磁性材料，因此，磁懸浮列車不一定使用超導體。雖然導軌本身可能與列車接觸，但是因為摩擦力與兩物體間的壓力成正比，所以只要導軌對列車的壓力小於列車所受的重力，那麼磁懸浮就能減輕列車前進過程中的阻力。現有的磁懸浮列車有兩種，一種採用電磁懸浮技術，一種採用電動懸浮技術。後者有技術優勢，但是需要先使用輪胎給列車以一定的初始速度。磁懸浮列車所涉及的物理學原理遠遠比磁懸浮本身的原理複雜，不在本文討論範圍。
磁懸浮列車上的磁場多大？有的公司宣稱只是地磁場的2倍。彩電產生的磁場可以是地磁場10倍，而我們生活中隨處可以的永久磁鐵產生的靜磁場最大可以是地磁場的2萬倍。換句話說，如果我們敢把玩永久磁鐵，便不需要擔心地磁場幾十倍的磁場。
實際的磁懸浮列車附近，磁場肯定有一個強弱分布，可能會強於兩倍地磁，不過如果乘客路過時不需要擔心輪子有鐵邊框的行李箱拉不動，那麼在人活動的範圍內肯定不會有強磁場。交變磁場相關的物理可以參考科學公園《波的科普》系列文章。如果擔憂磁懸浮對人體的影響，可以參考國際上一些技術發達國家對磁懸浮的應用和推廣程度。
比起其他交通工具，磁懸浮列車在綜合考慮速度、運行成本、舒適程度、噪聲等方面有優勢。除中國外，目前美國、德國、日本、韓國等國家均有磁懸浮列車，美國、韓國均有在建的磁懸浮列車項目，美國、英國、德國、澳大利亞、印度均有建造磁懸浮列車的計劃。磁懸浮是一個可能在未來需要廣泛普及的技術。
中國的磁懸浮火車
我國第一輛磁懸浮列車（買自德國）2003年1月開始在上海磁浮線運行。2015年10月中國首條國產磁懸浮線路長沙磁浮線成功試跑。2016年5月6日，中國首條具有完全自主智慧財產權的中低速磁懸浮商業運營示範線——長沙磁浮快線開通試運營。該線路也是世界上最長的中低速磁浮運營線。
