今日科學(xué)——超導(dǎo)和超導(dǎo)磁懸浮

1911年,荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯在研究水銀電阻與溫度變化的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度低于4K 時(shí),已凝成固態(tài)的水銀電阻突然下降并趨于零,對(duì)此昂內(nèi)斯感到震驚.為了進(jìn)一步證實(shí)這一發(fā)現(xiàn),昂內(nèi)斯又對(duì)多種金屬、合金、化合物材料進(jìn)行低溫下的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)它們中的許多都具有在低溫下(這一溫度稱為超導(dǎo)材料的臨界溫度)電阻消失變?yōu)榱愕默F(xiàn)象.由于在通常條件下導(dǎo)體都有電阻,昂內(nèi)斯就稱這種低溫下失去電阻的現(xiàn)象為超導(dǎo).在取得一系列成功的實(shí)驗(yàn)之后,昂內(nèi)斯立即正式公布這一發(fā)現(xiàn),并且很快引起科學(xué)界的高度重視,昂內(nèi)斯也因此榮獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).在他之后,人們開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱為“超導(dǎo)體” 超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失,被稱作零電阻效應(yīng),導(dǎo)體沒有了電阻,電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗,電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流,從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。

1933年,德國物理學(xué)家邁斯納(Meissner)和奧森菲爾德(Ochsebfekd)對(duì)錫單晶球超導(dǎo)體做磁場分布測量時(shí)發(fā)現(xiàn),在小磁場中使金屬冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí),體內(nèi)的磁力線一下被排出,磁力線不能穿過它的體內(nèi),也就是說,超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí),體內(nèi)的磁場恒等于零,且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場,還是先加磁場后降溫,只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài),超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外,也就是說,超導(dǎo)體是完全的抗磁體,外加磁場無法進(jìn)入或(嚴(yán)格說是)大范圍地存在于超導(dǎo)體內(nèi)部,這是超導(dǎo)體的另一個(gè)基本特性,被稱為“邁斯納效應(yīng)”。

產(chǎn)生邁斯納效應(yīng)的原因是:當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí),在磁場作用下,表面產(chǎn)生一個(gè)無損耗感應(yīng)電流。這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反,因而在深入超導(dǎo)區(qū)域總合成磁場為零。這一發(fā)現(xiàn)非常有意義,在此之后,人們用邁斯納效應(yīng)來判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性.例如,人們還做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),在一個(gè)淺平的錫盤中,放入一個(gè)體積很小、磁性很強(qiáng)的永久磁鐵,然后把溫度降低,使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性,這時(shí)可以看到,小磁鐵竟然離開錫盤表面,飄然升起,與錫盤保持一定距離后,便懸空不動(dòng)了。這是由于超導(dǎo)體的完全抗磁性,使小磁鐵的磁力線無法穿透超導(dǎo)體,磁場發(fā)生畸變,便產(chǎn)生了一個(gè)向上的浮力利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車.軌道交通工具從最早的蒸汽到現(xiàn)在的電力,速度從幾十公里每小時(shí)到現(xiàn)在高速鐵路的幾百公里每小時(shí),但不變的是它們都需要輪子在軌道上行駛,有這么一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)可以讓上百噸的列車懸浮在軌道上離地運(yùn)行,就是磁懸浮列車。高速磁懸浮是目前軌道交通技術(shù)的制高點(diǎn),軌道與列車間只有10mm間隙,這是真正的貼地飛行,牽涉到室氣動(dòng)力學(xué)、懸浮導(dǎo)向控制等多個(gè)領(lǐng)域,其科技含量極高。

目前世界上的磁懸浮列車有兩種,一種是德國的常導(dǎo)型磁懸浮列車,另一種是日本的超導(dǎo)型磁懸浮列車。

常導(dǎo)型磁懸浮列車采用異極相吸的原理達(dá)到懸浮狀態(tài),列車的速度為400~500km/h,在中國上海有一輛磁懸浮列車,它的設(shè)計(jì)速度是430km/h,實(shí)際速度是380km/h,使用于從上海軌道交通2號(hào)線的龍陽路站到上海浦東國際機(jī)場的一條磁懸浮專線,專線全長是29.86km,運(yùn)行時(shí)間是8min。這是由中德兩國合作開發(fā)的常導(dǎo)型磁懸浮列車.

超導(dǎo)型磁懸浮列車采用材料在臨界溫度以下電阻為零,出現(xiàn)完全抗磁性,從而利用同極相斥的原理達(dá)到懸浮狀態(tài),列車的速度為500~ 600km/h,1999年日本研制的MLX01超導(dǎo)型磁懸浮列車的速度達(dá)548km/h,同年,該列車的速度又被提升552km/h。2003年,日本將MLX01號(hào)超導(dǎo)型磁懸浮列車的速度提高到581km/h,有吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)可,然而2019年,由中國自主研發(fā)的高速磁懸浮實(shí)驗(yàn)樣車在青島正式下線,速度可達(dá)到600km/h,在一些國家對(duì)中國發(fā)起技術(shù)封鎖的特殊時(shí)期,高速磁懸浮列車的下線讓中國在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

磁懸浮列車的優(yōu)點(diǎn)是能夠高效率地完成載客,無須用活塞、渦輪等活動(dòng)零件,所以在行駛過程中幾乎沒有噪聲,在運(yùn)行時(shí)不是緊貼著鋼軌行駛,而是以懸浮的形式飛馳在軌面上,相對(duì)于其他有輪列車車輪與軌道的摩擦、撞擊,磁懸浮列車?yán)秒姶帕?shí)現(xiàn)無接觸支撐和導(dǎo)向,其運(yùn)行阻力只有空氣阻力,所以更節(jié)能,磁懸浮的磁場強(qiáng)度在列車內(nèi)部非常低,與地球磁場相當(dāng),遠(yuǎn)低于家用電器,不需要考慮電磁輻射。磁懸浮列車具有快速、低耗、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn),因此應(yīng)用前景十分廣闊。

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