知识点:磁铁同极相斥的斥力,无法稳定地托起火车,但把超导体放在磁铁之上,就可以保持超导体的平稳。这是因为磁场不能穿过超导体,所以磁力线会把超导体托起来。
我国第一辆磁悬浮列车于2003年1月,开始在上海运行,十多年过去了,大家的新鲜感消失,磁悬浮这个高端概念似乎要淡出大家的视线了。今年,我国第二条中低速磁悬浮线路京S1线全面开工建设,又让新长起来的一代,开始听说并好奇磁悬浮列车这个炫酷的名词。磁悬浮列车的浮力是怎么来的?跟磁铁的同极相斥的浮力是一回事儿吗?
我们知道,磁悬浮列车是在永久磁铁上开行的,永久磁铁一般就是稀土材料做的,磁场强度是在1个特斯拉内。
如果你把一块磁铁放在另外一块磁铁上,它们之间也是相互排斥的,上面那块磁铁仿佛也会浮起来。但马上你就会发现,放在上面的那块磁铁是不可能保持稳定平衡的,稍微有风吹草动就会掉下来,这背后的隐藏的秘密就是恩绍大定理(Earnshaw's theorem)。这个定理是一个叫恩绍的英国数学家,在1842年提出来的,他发现:一个运动的物体的稳定悬浮,不可能全部由永磁体或永磁体与软磁体之间的电磁力来实现。他从理论上证明了用永磁体实现悬浮是不可能的。也就是说,利用两块磁铁之间的排斥力来托起火车是不可能保持平稳的,火车一定会翻车。
那怎么办呢?难道磁悬浮是不可能实现的事儿?
还好,科学家发现,如果把超导体放在磁铁之上,则可以保持超导体的平稳,就好像轮船开在大海上,即使有风浪也不会翻船一样。这背后的物理定理就超越了前面讲到的恩绍大定理,而是利用麦斯纳效应:磁场不能穿过超导体,所以磁力线会把超导体托起来。这话听起来有些复杂,但是,想想初中物理课上学的液体的浮力那一章,里面讲到了阿基米德在洗澡的时候发现的那个浮力定律。把一个空心铁球放在水里,铁球有可能漂浮起来,这是很司空见惯的事情。
磁悬浮也是同样道理吗?
当然是类似的!你可以把磁场想象成水,如果我们把一个超导体放在磁场里,就好像空心铁球放在水中一样,水是进不了空心铁球内部的,磁场也是进不了超导体的。这就是磁场对超导体产生浮力的原因。
麦斯纳效应是一个量子力学的宏观现象。所以,如果你想要彻底搞清楚磁悬浮列车的浮力来源,就应该去读一下量子力学的书。18世纪是蒸汽机的时代,19世纪是电力的时代,20世纪是IT与互联网的时代,21世纪是量子的时代。因此,现在的时代大潮流的方向是量子力学,热爱物理的同学们,也许可以注意这一时代特征哦。
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