在科技高度發達的今天,科學家們辛勤的汗水已在各領域澆灌出了豐碩的成果。磁科技也不例外,作為這個領域的主流前沿陣地,磁懸浮技術和強子對撞機工程,已引領了磁發展的未來之路。相信它們會為未來的科學發展開辟出另一片全新的景象:顛覆交通格局,揭開宇宙形成奧秘。
第一節科學魔術——磁懸浮
隨著航天事業的發展,模擬微重力環境下的空間懸浮技術,已成為進行相關高科技研究的重要手段。
目前的懸浮技術主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等。其中,電磁懸浮技術已發展得比較成熟。
磁懸浮技術簡稱EML技術。
它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表麵產生的渦流,來實現對金屬球的懸浮。將一個金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈上時,高頻電磁場會在金屬材料表麵產生一種高頻渦流。這一高頻渦流與外磁場相互作用,使金屬樣品受到一個洛倫茲力的作用。在合適的空間配製下,就可使洛倫茲力的方向與重力方向相反,通過改變高頻源的功率,使電磁力與重力相等,即可實現電磁懸浮。一般說來,通過線圈的交變電流頻率為104~105赫茲。
同時,金屬上的渦流所產生的焦耳熱可以使金屬熔化,從而達到不用容器也能熔煉金屬的目的。目前,在空間材料的研究領域,EML技術在微重力、無容器環境下晶體生長、固化、成核及深過冷問題的研究中發揮了重要的作用。
當前,許多國家都在為提高陸地交通運輸的速度、減少甚至消除汽車燃料對環境的汙染,而進行著多方麵的研究和試驗,磁懸浮列車和磁儲氫汽車的研究、試驗和初步應用便在研究行列之中。
目前,世界上主要有三種類型的磁懸浮。一是以德國為代表的常導電式磁懸浮,二是以日本為代表的超導電動磁懸浮,這兩種磁懸浮都需要用電力來產生磁懸浮動力。而第三種,就是我國的永磁懸浮,由於它利用的是特殊的永磁材料,因此不需要任何其他的動力支持。
磁懸浮列車利用“同性相斥,異性相吸”的原理,讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力。這樣,磁懸浮列車車體完全脫離軌道,懸浮在距離軌道約1厘米處,騰空行駛,創造了近乎“零高度”空間飛行的奇跡。
磁懸浮列車是一種沒有車輪的、陸上無接觸式有軌交通工具,速度可達到每小時500千米。它是利用常導或超導電磁鐵,與感應磁場之間產生相互吸引或排斥的力,使列車“懸浮”在軌道上麵或下麵。因此,在行進時就毫無摩擦了,從而克服了傳統列車車軌粘著限製、機械噪聲和磨損等問題,並且具有啟動、停車快,爬坡能力強等優點。
一般說來,磁懸浮有兩種可能的浮起方法。一種是氣浮法,就是使火車向鐵軌下的地麵大量高速噴氣,利用其反作用力使火車從鐵軌道上浮起。但是,這樣會激揚起大量塵土,並且產生很大的噪聲,會對環境造成塵土和噪聲汙染,因此不可采用。另一種是磁浮法,就是利用火車與鐵路軌道之間的磁作用力,使火車從鐵軌上浮起來。這樣既不會揚起塵土,也不會產生噴氣噪聲,因而是一種提高火車速度的好方法。
磁懸浮列車浮起運行的原理,是利用列車上磁鐵與鐵軌上磁鐵的不同磁極性之間的磁吸引力而浮起的,是利用列車上磁鐵與鐵軌上磁鐵的相同磁極性之間的磁排斥力而浮起的。列車上磁鐵與鐵軌兩側的相同磁極性之間的磁排斥力,則使列車保持居中位置,不致左右偏移。
磁懸浮列車所用的產生磁場的磁體,或稱磁鐵,可以采用永磁體,一般選用磁體或超導磁體或它們組合的複合磁體等。磁懸浮列車的優點較多。例如,運行平穩、舒適性好,安全性高、速度調節範圍寬,可適用於不同的距離和不同的要求;噪聲低,既無鐵軌與車輪的摩擦噪聲,又無傳動和滾動噪聲;平時,由計算機對電力和電子設備進行檢測,不需要一般火車的機械等例行檢修,因此維護費用較低。但是,修建磁懸浮鐵路和製造磁懸浮列車的初投經費卻又是相當驚人的,可以說非常非常昂貴。