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        高溫超導(dǎo)讓列車“輕如樹葉”

        2021-02-22 12:51:28李迪陳科
        科學(xué)導(dǎo)報 2021年6期
        關(guān)鍵詞:磁場

        李迪 陳科

        隨著超導(dǎo)材料性能不斷提高和完善,科學(xué)家們正在積極開展高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的研究,其中誕生了一個重要領(lǐng)域的研究應(yīng)用——高溫超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)。就在本月13日,具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的,世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮樣車及試驗線,在西南交通大學(xué)下線。此次下線的世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車重達(dá)12.5噸,但是它就像是一片漂浮于水面的葉子,僅用手就能輕松向前推動。為何如此神奇?答案就是:高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)使它實現(xiàn)了靜止懸浮。

        12.5噸列車實現(xiàn)靜止懸浮

        高溫超導(dǎo)體的電阻近似為0。因此產(chǎn)生的感應(yīng)電流會在超導(dǎo)體內(nèi)一直循環(huán)下去,而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與軌道磁場方向相反,將相互作用產(chǎn)生懸浮力?!按鸥「鶕?jù)懸浮力的產(chǎn)生原理不同,主要分為電磁懸浮、電動懸浮和高溫超導(dǎo)磁懸浮。最常見的是電磁懸浮,它的基本原理就是‘電生磁,即通電后產(chǎn)生懸浮?!蔽髂辖煌ù髮W(xué)教授鄧自剛說,此外電動懸浮,顧名思義就是“動生電”,即運(yùn)動起來后產(chǎn)生懸浮。

        而低溫超導(dǎo)電動懸浮是利用車載低溫超導(dǎo)磁體與閉合“8”字形線圈的相對運(yùn)動,在線圈中感應(yīng)出渦流,渦流再產(chǎn)生感應(yīng)磁場,感應(yīng)磁場與磁體磁場互相作用產(chǎn)生電磁力,從而實現(xiàn)懸浮。

        當(dāng)前,我國已成為世界高鐵大國,技術(shù)、裝備、建設(shè)和運(yùn)營達(dá)到國際先進(jìn)水平。在磁浮列車技術(shù)上,西南交通大學(xué)正在持續(xù)推進(jìn)原創(chuàng)的高溫超導(dǎo)磁浮列車技術(shù)。

        據(jù)鄧自剛介紹,高溫超導(dǎo)磁浮技術(shù)利用了非理想第二類高溫超導(dǎo)體在混合態(tài)中的磁通釘扎特性,實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮導(dǎo)向一體化。因此,高溫超導(dǎo)磁浮也被稱為“高溫超導(dǎo)釘扎懸浮”。

        他表示,高溫超導(dǎo)磁浮還有一個顯著的特點(diǎn)——列車前進(jìn)方向的磁阻力幾乎為0。“在這些優(yōu)勢的加持下,高溫超導(dǎo)才能幫助磁浮列車實現(xiàn)‘奔跑,甚至更適合未來交通的超高速應(yīng)用。”

        高溫超導(dǎo)材料“捆綁”磁力線

        處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)塊材向永磁體逐漸靠近,外界磁場以磁通量子束形式開始進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi),釘扎中心周圍超導(dǎo)區(qū)域?qū)a(chǎn)生渦流而牢牢地鎖定磁通量子束。

        據(jù)介紹,目前任何一種磁浮列車制式都能實現(xiàn)懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動這三項最重要的功能。鄧自剛解釋,導(dǎo)向也可以用“感生電”來解釋,更形象的解釋是高溫超導(dǎo)材料具有磁通釘扎特性,對磁力線有束縛作用,從而實現(xiàn)導(dǎo)向功能。

        “由于超導(dǎo)體在軌道上方,磁力線將穿透超導(dǎo)體,但如果磁力線被釘扎在超導(dǎo)體里面,要想移動超導(dǎo)體,它就會產(chǎn)生一個回復(fù)力,阻礙車體的移動,所以說回復(fù)力會起到導(dǎo)向作用,使列車不會發(fā)生脫軌。”他說。

        具體來看,高溫超導(dǎo)體材料制備過程中產(chǎn)生的位錯、沉淀物等缺陷,形成位能勢阱。將正常態(tài)的超導(dǎo)塊材放入磁場中,此時磁場能夠穿過塊材,塊材進(jìn)行冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后,位能勢阱會阻止磁通線移動,對磁通線進(jìn)行“束縛”,也就是磁通釘扎效應(yīng)。處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)塊材向永磁體逐漸靠近,外界磁場以磁通量子束形式開始進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi),在其通過的路徑上遇到結(jié)構(gòu)缺陷等(釘扎中心),釘扎中心周圍超導(dǎo)區(qū)域?qū)a(chǎn)生渦流而牢牢地鎖定磁通量子束,宏觀上表現(xiàn)為自穩(wěn)定懸浮現(xiàn)象。

        從驅(qū)動功能方面來說,磁浮列車都是依靠直線電機(jī)進(jìn)行牽引,直線電機(jī)產(chǎn)生一個行波磁場,然后拉著列車不停地“奔跑”。直線電機(jī)與車體之間也沒有接觸,由車上永磁體組成的動子和線路上線圈組成的定子構(gòu)成,兩者相互作用,產(chǎn)生牽引力或制動力。

        當(dāng)然,磁浮列車的底部裝有懸浮裝置,被稱為“杜瓦”。杜瓦里面有超導(dǎo)材料,可以把它理解為列車的“車輪”。因此,要讓列車懸浮,車載高溫超導(dǎo)材料、地面永磁軌道和液氮三要素必不可少。

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