超导中的电磁感应现象
EV技研
公众号EV技研作者1900 2019-6-18 电动汽车


设置超导磁体 

很多人存在对超导磁体磁悬浮的误解,认为地面 侧与车辆侧的超导磁体相对并产生悬浮力,而且也常 听说超导磁悬浮列车轨道上铺满超导磁体。事实并非 如此。 超导磁体仅搭载于车辆侧,地面侧为普通磁体牵 引轨道。

 利用电磁感应悬浮列车 

可利用电磁感应悬浮重型列车。



 电磁感应

  闭合电路中的导体周围磁场变化产生电流

 闭合电路中的导体周围的磁场变化会在导体内产 生感应电流的现象称为电磁感应。 水力发电站、火力发电站、核电站都是利用电磁 感应发电的。图 10 所示为电磁感应示意图。


 发电原理

 

水力发电站使储存的水从高处落下转动水车。水 车连接的磁体旋转,周围的铜线会产生感应电流。 火力发电站燃烧石油、核电站利用核能产生的热 量,将水变为水蒸气,液体变为气体后体积膨胀,会 对外界产生作用力,这个力使磁体旋转。脚踏发电机 利用车轮上的旋转磁体发电。



利用电磁感应理解悬浮原理


 楞次定律 

楞次定律是指感应电流的效果总是反抗引起感应 电流的原因。 磁体的 N 极靠近金属板时,感应电流遵循楞次定 律,为了反抗磁体的靠近,感应电流形成的磁场使相 对面变为 N 极。电流方向和产生的磁场的方向如图 11 所示。

 

电磁感应决定电流方向

 磁体 N 极靠近金属圆板时,根据楞次定律,导体中 会产生使其与磁体相对面变为 N 极的感应电流,图 10 所示的感应电流方向也如此。 

电磁感应使铝制硬币移动 

众所周知,铝制硬币并不会被磁体吸附,但强磁 力磁体也可使其产生感应电流。 

将硬币立起来并使其靠近强力磁体,会产生排斥 现象(图 12)。


根据楞次定律,为了不接近磁体,铝 制硬币中产生了感应电流。 此时,如果靠近磁体 N 极,则硬币中产生使相对 面为 N 极的感应电流;如果靠近 S 极,则在硬币中产 生使相对面为 S 极的感应电流。这种原理也用于异步 电机。



 利用超导体电磁感应产生的斥力悬浮


电流导致发热 

普通金属存在电阻,电磁感应产生的电流会在瞬 间衰减(因发热消耗能量)。因此,为了使电流持续流动, 必须使磁体转动。发电站利用水力、火力使磁体旋转, 产生电能。旋转停止,电能就会消失。因此,发电站 需要不停工作。 

感应电流即使流向超导体,损耗也为零

 在无电阻的导体中,感应电流将无衰减地持续流 动,斥力也会持续。因此,利用超导体进行电磁感应 实验,可永久维持磁体靠近时的斥力。 

在超导体上悬浮永磁体

 

图 13(a)所示为用液氢(-196℃)冷却的钇钡 铜氧化物超导体上悬浮永磁体的实验。 观察图 13(b),可知永磁体的 N 极朝向超导体。 于是,超导体中产生使相对面为 N 极的感应电流。又 因为超导体的电阻为零,可永久流通感应电流,持续 维持斥力,磁体可以持续悬浮。 


 电磁感应也可获得引力

 此前都是利用斥力进行悬浮,也可利用电磁感应 获得引力(图 14)。


 如果磁体远离导体,此时根据楞次定律,导体中 会产生阻止磁体远离的感应电流。例如,使磁体 N 极远离导体时,导体中会产生使相对面为 S 极的感 应电流。 

斥力、引力各司其职

 由楞次定律可知,当磁体接近导体时,斥力发挥作 用;当磁体远离导体时,引力发挥作用。遇到地震等外 部干扰时,超导磁悬浮列车也会因恢复力稳定悬浮。

利用引力

 磁体远离导体时,感应电流瞬间减小,引力很难 被察觉。如果利用电阻为零的超导体,感应电流不会 发生变化,引力会更易察觉。


 如图 15 所示,永磁体下方的超导体被电磁感应产 生的引力牵引并悬浮在空中。超导体下方的铁环仅用 于展示。 



超导磁悬浮列车的悬浮原理


  高速移动时,利用电磁感应产生的斥力悬浮

 列车搭载的超导磁体产生强磁场,在地面牵引轨 道上运行时会产生感应电流,并产生斥力。超导磁悬 浮列车利用强磁场和斥力进行悬浮,


如图 16 所示。 首先在金属牵引轨道上放置磁体,此时磁场并未 发生变化,所以不会产生电磁感应。之后,牵引磁体, 并提高速度。此时金属轨道中产生感应电流,磁体受 到悬浮力影响。当磁体移动速度达到临界值时,电磁 感应的悬浮力可以使磁体悬浮。

超导磁悬浮列车静止时不产生悬浮力

 根据超导磁悬浮列车的原理,可知超导磁悬浮列 车到站停车时并不能悬浮。 


如图 17 所示,超导磁悬浮列车从车站出发时与普 通列车相同,都是车轮驱动。但列车驱动为线性电机 驱动,轨道侧悬浮线圈中的感应电流随着列车的加速 而增大,当时速达到 140km 时,悬浮力使列车悬浮。 之后,为减小空气阻力,车轮缩回。

  悬浮 11t 的超导体装置

 超导磁体可提供悬浮车辆所需的力,但并不保证 可以悬浮数十吨的车辆。有必要进行实验验证。


 如图 18 所示,在配置铜线圈的圆板上方放置超导 磁体。为了不让两者接触,用绳子吊起超导磁体。旋 转下方的圆板,当圆盘的转速达到临界值时,电磁感 应产生的力可悬浮约 1t 的超导磁体。 由此可知,金属线圈间的相互作用可产生悬浮力, 利用超导磁体,可获得悬浮列车的力。 

以悬浮实验为契机 

列车上搭载超导磁体行驶可获得使列车悬浮的 悬浮力。超导磁体悬浮实验确认了这一理论的可行 性。以此为开端,日本开始正式着手开发超导磁悬浮 列车。 


 利用超导磁体产生可悬浮 30t 车辆的磁场

 悬浮 30t 车辆所需的力

 超导磁悬浮是指利用感应电流的悬浮技术。感应 电流由超导磁体的强磁场产生,感应电流的磁场产生 斥力,使列车悬浮。 目前超导磁悬浮列车中采用的超导磁体表面附近 的磁场的磁通密度为 5T,地面牵引轨道磁场的磁通密 度为 1T。

 1T 磁通密度产生的悬浮力

 磁通密度 1T 的磁场产生的斥力大约为 4kg/cm2 。 假设车体长 20m、宽 3m、地面的表面积为 60m2 ,铺 设超导磁体的面积占总面积的 1/6。由此可计算悬浮力 为 4 × 10 × 1002 = 4 × 105(kg) = 400t。 计算结果看似不会产生问题,但磁力与距离的平 方成反比,间隙也会在行驶中发生变化。所以,悬浮

力越大越能保证安全。 超 导 磁 体 利 用 液 氦 进 行 冷 却。 液 氦 的 沸 点 为 -269℃。列车具备这种温度极低的条件才能实现超 高速行驶。



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[修改于 1 个月前 - 2019-06-18 17:23:33]

来自 电动汽车

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