物理新知–磁浮火車
馬秀盈   湯兆昇   

我們無法使一塊磁鐵穩定地浮在另一塊磁鐵上
圖一  我們無法使一塊磁鐵穩定地浮在另一塊磁鐵上。

Transrapid 系統的原理
圖二  Transrapid 系統的原理。

磁鐵在導體附近移,便會感應出電流
圖三  磁鐵在導體附近移,便會感應出電流。

電動力懸浮法的技術
圖四  電動力懸浮法的技術。

如何推動磁浮火車?
圖五  如何推動磁浮火車?

要以最快的速度從一個地方去到數百公里,甚至數千公里以外的地方,一般人都會選擇乘搭飛機。可是,在不久的將來,一種新的交通工具將會帶領人們以高速於城市之間穿梭。

目前為止,一般的子彈火車能以 200 km/h 的速度前進。由於火車與路軌之間的磨擦力限制了火車的最高速度,所以人們便開始研究能懸浮於路軌之上的火車,於是便有磁浮火車的出現了。

顧名思義,磁浮火車是利用磁力使火車懸浮於路軌之上。磁浮火車經常被稱為 MagLev,即 Magnetically Levitated train 的簡寫。但是,利用一般的磁鐵並不能把火車穩定地浮起。要是你將兩塊磁鐵的北極相對,你會發現無法使一塊磁鐵穩定地浮在另一塊上 (圖一)。所以,要把火車浮起並不如想像中般簡單。

真正磁浮火車是如何浮起來的?目前,磁浮火車還在試驗階段。德國科學家設計了一個名為 Transrapid 的系統,利用了「電磁力懸浮法」(EMS) 把火車浮起 (圖二)。在這個系統中,火車的底部包著一條導軌,在火車底部起落架的電磁鐵向著導軌,磁力使火車懸浮在導軌之上約一厘米,即使在靜止的時候,火車仍然保持浮起。其他導引磁鐵則能使火車在行使時保持穩定。

日本的科學家則利用了「電動力懸浮法」(EDS) 把火車浮起。還記得甚麼是「電磁感應」嗎?當磁鐵在導體附近移動,導體內的磁場會因而改變 (圖三),並感應出電流。感應電流又能產生磁場,根據楞次定律,這樣產生出來的磁場總是傾向於抗拒引起這個感應的改變。「電動力懸浮法」應用了電磁感應的原理。圖四(a)顯示了這種磁浮火車的原理。火車在導槽內行走,槽的兩邊安有一系列 "8" 字形的線圈。當一輛列車快速駛過時,車兩邊的超導磁鐵便會在線圈上感應出電流。巧妙的是,超導磁鐵在 "8" 字形的線圈中心以下經過,因此 "8" 字形線圈下半部的磁通量改變比上半部大,感應出如圖四(b)所示的電流,產生磁力。"8" 字形線圈下半部的磁極與超導磁鐵的磁極相同,上半部則與之相反,結果是這兩部分的線圈對超導磁鐵產生的磁力,都有一個向上的分力,把列車懸浮起來。由於"8" 字形線圈只有在超導磁鐵運動時才能感應出電流並產生磁性,因此當火車靜止的時候,便不能浮起。所以,火車在啟動時會首先靠輪子來滑行,直到產生的磁力足以承托火車的重量,才將輪子收起來,就好像飛機起飛一樣。

那麼,磁浮火車是怎樣被推動的?它的基本原理很簡單。以日本的磁浮火車為例。移動的列車帶同超導磁鐵在導槽兩邊的線圈感應出電流,根據這些訊息,系統便會把交流電輸入導槽兩邊的推進線圈,產生南北梅花間竹的磁極 (圖五),對超導磁鐵造成拉力和推力,使列車加速。

磁浮火車能懸浮在路軌上行駛,免除了火車與路軌之間的磨擦力,故能以高速飛馳。估計未來的磁浮火車能以高達 500 km/h 的速度行駛,比現在最快的火車速度要高一倍。此外,磁浮火車非常寧靜。德國農民在磁浮火車路軌附近工作,幾乎察覺不到有火車經過呢!但磁浮火車有一個缺點,就是建造導軌的費用昂貴。磁浮火車只能在這些導軌上走,大大限制了它的發展。估計未來的鐵路發展,仍會以傳統火車為主。

值得中國人民興奮的是,世界上第一條商用的磁浮鐵路將於 2003 年於中國面世。這個計劃耗資 26 億元人民幣。到時 Transrapid 磁浮火車將會帶領人們以 200 km/h 的高速穿梭於上海市中心和浦東國際機場之間,整個旅程只需 10 分鐘!