现代飞毯——磁悬浮列车

来源 :中学生数理化·八年级物理人教版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dianquan999
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  作者简介:沈宁华,男, 山东莱阳人.1961年毕业于首都师大物理系,现任北京联合大学自动化学院副教授,中国科普作家协会少儿专业委员会委员.作品对象以少儿为主,内容涉及物理、物理学史、计算机、科学小实验等,发表近百万字作品.
  
  飞机的发明实现了人类飞行的梦想,但是,航空运输还有许多缺憾.例如,需要很大的机场、能耗大、载客少,就是最近推出的最大的空中客车也只能乘坐840人.《一千零一夜》里有一个飞毯的故事,人们坐在飞毯上可以自由自在地飞来飞去,不需要机场,也不需要那么多地勤人员的服务保证.如今,这种飞毯式的交通工具已经在上海实现了.这就是世界上第一条实用的磁悬浮列车,它西起上海地铁二号线龙阳路车站,东到浦东国际机场一期航站楼,正线全长30 km.开通后,乘客只需短短8 min便可从东海之滨的浦东机场到达上海市区.
  自古以来,车子就离不开轮子,可是磁悬浮列车像故事里的飞毯,“漂浮”在轨道上,没有轮子.车体与轨道“若即若离”,间隙约1 cm,因而有“零高度飞行器”的美誉.
  列车利用电磁力抵消地球引力,在运行中处于磁悬浮状态.如何利用磁力来克服重力呢?我们知道磁极之间同性相斥异性相吸,当两块磁铁的北极或南极相互靠近时,我们会感到很大的相互排斥力,距离越近排斥力越大,所以用磁的斥力可以悬浮列车.其实利用异性相吸,也可以达到悬浮的目的(见图).
  
  上海的磁悬浮列车的原理就是吸力式.吸力式列车的车厢安装在一个底架上,底架骑在导轨上.电磁铁装在底架的下面,导轨上镶有线圈,通电线圈产生的磁场跟底架上的电磁铁相互吸引,但又互不接触,这样可以把列车向上提起,就像我们提起一个篮子.
  这件事说起来好像很简单,实际上是很复杂很精密的.我们知道,南北磁极永远是成对出现的,磁极南北相对,轨道线圈上的磁极也是相对且必须跟运动列车底架上的磁极相对应.列车前进时,车厢的磁极相对于轨道不断运动,因此线圈里流动的电流方向要不断变化,使线圈中原来的S极变成N极,N极变成S极,循环交替.
  上面解决了列车悬浮的难题,下一个问题是如何驱动没有轮子的列车呢?我们知道,在列车的底架上装着一组一组的电磁铁,南极、北极交替排列.轨道上也排列着通电线圈形成磁极.如果车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引,同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥,结果是一“推”一“拉”,列车就会得到向前的推力.列车前进一点时,线圈里流动的电流方向就反过来,即原来的S极变成N极,N极变成S极继续上述的过程.这样循环交替,列车就向前奔驰.
  与普通轮轨列车相比,磁悬浮列车具有低噪音、低能耗、无污染、安全舒适和高速高效的特点.据德国科学家预测,到2014年,磁悬浮列车采用新技术后,车速将达每小时1 000 km.磁悬浮列车的使用寿命可达35年,而普通轮轨列车只有20年~25年.磁悬浮列车路轨的寿命是80年,普通路轨只有60年.世界各国都十分重视发展磁悬浮列车,它是21世纪理想的超级特别快车.
  
  责任编辑 蔡华杰
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