超导磁悬浮列车（一）

超导磁悬浮列车（一）

Levitated Superconducting Magnet Train(1)

随着科技的进步，人们的出行越来越便捷。我国的列车已从普快、特快、动车，发展到高铁，车速越来越快。磁悬浮列车更是21世纪理想的超级特别快车，因为摆脱了地面的摩擦力，最高时速可达400公里以上，创造了近乎“零高度”飞行的奇迹。2003年1月4日，世界上第一条商业磁悬浮列车开始在上海正式运营。随着超导磁悬浮技术的研究进展，磁悬浮列车将变得更快、更稳、更安全。超导电性自1911年发现以来，一直是物理学家们研究的课题。那么，超导电性有哪些神奇的现象呢？下面我们就通过超导磁悬浮演示实验来一探端倪。

实验装置

钇钡铜氧系超导块材、圆柱形永磁铁、液氮、液氮容器、超导磁悬浮车演示装置等。

超导磁悬浮车演示装置如图1所示，由环形轨道、底盘、超导小车和磁感应辅助驱动系统组成。其中轨道由铁环和吸附其上的NdFeB永久磁铁材料构成；超导小车由小车模型、低温杜瓦容器和高性能单畴钇钡铜氧超导块材构成。

图1　超导磁悬浮车演示装置

现象观察

1.超导块材和永磁铁吸引的现象观察

首先把超导块材放入空的杜瓦容器内，将永磁铁放置其上，没有观察到它们相互吸引的迹象。然后拿掉永磁铁，把液氮倒入容器，使其浸没超导块材，再把永磁铁放置其上，观察到永磁铁悬浮在超导块材的上方，用手转动永磁铁，永磁铁会在空中旋转。用手把永磁铁向上方提起，超导块材也会随之升起而不掉落。把两者移到容器外的桌面上，随着周围环境温度的升高，过段时间后，悬浮于上空的永磁铁会慢慢落回到失去超导特性的超导块材上。

图2　超导磁悬浮现象，上方的黑色物体为永磁铁，正下方黑色的物体为浸在液氮中的超导块材。

2.超导磁悬浮车的现象观察

在杜瓦瓶中冲入液氮，小车内的超导材料就处于超导体状态。将超导小车放在磁性轨道上，给小车一个初速度，小车就会沿着环形轨道运行。经过轨道旁的磁感应辅助驱动系统时，小车获得一个驱动力而继续运行，只要小车内的超导块一直浸在液氮中，小车就会不断运行下去。

现象解密

图3　卡默林·昂内斯

超导现象是荷兰科学家卡默林·昂内斯（Kamerlingh Onnes）于1911年在液氦中冷却汞时首次发现的。在超导状态下，材料的直流电阻变为零，电流可以无衰减地在超导体内流动。除了零电阻，超导体的另一个典型特征就是完全抗磁性，也称为迈斯纳效应（Meissnereffect）。

迈斯纳效应表明，处于超导状态的块材放在磁场中，其内部磁场为零，对磁场完全排斥，即表现出完全抗磁性，如图4所示。目前已经知道，低温超导现象是由于材料内部的传导电子形成有序电子对所致，这种有序的本质可以通过著名的BCS理论来解释，有兴趣的同学可以查阅相关资料来了解，而高温超导现象目前还没有成熟理论去解释，有待于进一步的探索研究。

图4　磁场可以穿过一般的材料，而被超导体完全排斥在外

当我们将一个永磁铁靠近超导体时，因为永磁铁的磁力线被超导体完全排斥在外，所以会在超导体表面附近形成一个很大的磁通量密度梯度，如图4所示。根据法拉第电磁感应定律，这个磁通密度梯度会感应出很高的屏蔽电流，因为超导体的零电阻特性，这个感应电流几乎不随时间而衰减，感应电流会产生很强的磁场，该磁场与永磁铁的磁场之间会产生排斥力，排斥力随两者之间的距离减小而增大。因此在某个高度，当排斥力同永磁铁的重力相当时，永磁铁就会悬浮在空中。而且，由于感应电流在超导体中不会衰减，永磁铁可以一直保持在这个高度。

当把永磁铁向上方提起时，实验发现有一个力吸引超导体（你知道是什么原因吗？），如吸引力大于超导体的重力时，超导体就会被拉起，而悬挂在永磁体的下方空中。当超导体离开液氮环境后，温度逐渐升高，在超过某一个温度后，超导性能就会消失，超导体变成正常的材料，不再具有超导的神奇性能了。

应用拓展

超导材料的零电阻和完全抗磁性，决定了它们的广阔应用前景。完全抗磁性导致的磁悬浮特性，使世界各国对超导磁悬浮列车的研究产生了极大的兴趣，日本、德国等国家研制的超导磁悬浮列车已达到商业运行标准。相信在不久的将来，更加快捷、平稳、安全的超导磁悬浮列车会进一步提升我们的生活质量。

除了交通，超导材料还在发电、输电和储能、超导计算机、热核聚变反应堆等方面都有巨大的应用前景。我们知道，用常规材料产生10万高斯以上的强磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能和大量的冷却水，而超导材料的零电阻和完全抗磁性，只需消耗很少的电能，就可以获得同样强度的磁场。因此，用超导材料制成的交流超导发电机比传统发电机重量更轻、体积更小、发电效率更高，而发电容量却可以提高5~10倍。用铜做导线来输电，损耗在输电线路上的电能会占到总电能的15%，而超导材料做导线的话，几乎可以无损耗地把电能输送出去。

图5　超导磁悬浮列车

计算机的飞速发展，对集成电路芯片上元件的集成程度要求越来越高，于是散热是个大问题。但如果用超导材料作为元件的话，由于其零电阻的特点，基本上不会发热，所以不用考虑散热问题。另外，热核聚变反应时，温度可高达1亿~2亿摄氏度，这么高的温度，只能用强磁场把反应堆中的超高温等离子束缚住，而这种强磁场可以通过超导材料轻易实现。

图6　电影《阿凡达》中的悬浮山

目前，虽然超导材料的临界温度越来越高，但超导状态的获得，还是必须在零下一百多摄氏度的环境中。如果未来我们能找到常温超导材料，那么超导必将会给我们的生活带来莫大的惊喜。电影《阿凡达》中神秘的悬浮山，就是因为潘多拉星球的地底富含超导矿石，可以让上面的山体处于磁悬浮状态。如果我们能找到或创造出常温超导材料，那么这种情景也会出现在我们的现实生活中。如果利用超导材料制作飞行器，那么利用地球的磁场，也许我们可以在空中悬停、快速飞行，这不就是传说中的UFO？

图7　UFO想象图

思考题

1.请列举出超导磁悬浮列车可能存在的缺点或不足。

2.如果能够制备出常温超导材料，你能想象出其他应用吗？