嘩!磁浮列車

資料來源
科學研習月刊42-2
洪國勳

當一列時速500公里的列車,快速地掠過一處寧靜的公園邊,想像中,大家一定會摀起耳朵,等待列車的離去。但事實並非如此,小孩們仍各自玩耍,媽媽懷中的小嬰兒依然安靜的睡著,坐在長板凳的老先生依舊看著報紙,全然無視於列車的經過。咦?這是怎麼回事?原來,這部列車正是目前高科技發展國家努力開發的「磁浮列車」。
磁浮列車有著快速、安靜、無污染的優點,毫無疑問的,它必將成為未來鐵路運輸系統的發展趨勢。因此,大家必須對磁浮列車有基本的認識。

磁浮列車是什麼時候發明的?
乍聽之下,磁俘列車似乎是一項相當高科技的交通產品,但其實早在19世紀末期就已經有使列車上浮的構想,其中包括了運用氣球原理將列車「漂浮」在鐵路上行駛,或是運用水流使列車運行,但這些都只是一些非常初步的構想,未能產生革命性的突破。1922年,德國工程師赫爾曼提出了利用「磁力」使列車懸浮的想法。直到1969年,德國製造出一列利用「磁力」懸浮的小型列車,三年後日本亦研發出磁浮列車。直到現在,德國和日本關於磁浮列車的技術及研究依然獨步全球,例如今年(2003年)年初於上海完成試車的全球首班載客用磁浮列車就是由德國建造的。
為什麼磁浮列車速度能夠這麼快?

不知道大家有沒有搬運過重物的經驗呢?如果把一個很重的箱子放在地上拉,是 相當費力的,但如果能在箱子下加上輪子,則搬運起來一定能輕鬆許多,因為加了輪子之後箱子與地面接觸面積減小,摩擦力也因此減小了,相對的,我們就能以較快的速度搬運箱子。
雖然加輪子可使摩擦力減小,但畢竟輪子還是跟地面有接觸,所以在速度上還是有所限制,雖然法國TGV列車曾創下傳統軌道運輸系統時速515公里的世界紀錄,但因輪軌材料會因摩擦產生過熱現象,列車行進時發生意外的機率也相對的提高,故現今德、法、西、口等國之高鐵商業營運時速均不超過300公里。因此,若列車想要更進一步的提升速度,必須放棄傳統以車輪行駛之方式,而採用使列車「懸浮」的方式運行。而磁浮列車利用磁力將車身懸浮於軌道上,使列車本身不與地面接觸,因而完全減掉摩擦力的作用,也就是像飛機一樣漂浮在空中,只是距離地面較近而已,若再加上適當的推進動力,就能跑得相當快了。

示意圖
磁浮列車這麼快速,會不會產生噪音污染呢?

我們再來看看搬箱子的例子吧,如果把一個沒有輪子的箱子放在地上推,一定會產生「沙~沙~」難聽刺耳的聲音,若加上輪子則聲音會小一點,但是若箱子的大小與重量跟火車一樣大,速度跟火車一樣快,就算加上了輪子,一樣會產生噪音汙染的問題,而磁浮列車與地面是完全沒有摩擦的,因此不會產生噪音汙染的問題。

磁浮列車有哪些種類?
磁浮列車可依照其懸浮方式,分為互斥式磁浮列車和吸引式磁浮列車兩種,我們可由下表中清楚的看出兩種列車的不同。
磁鐵間距離越小則引力越大,當距離很靠近時,兩塊磁鐵則會吸在一起,那為什麼吸引式磁浮列車軌道上的磁性不會把列車上的磁鐵吸住而黏在一起呢?因為磁浮列車上裝有「位置感測器」,位置感測器能夠偵測軌道與列車間的距離,並透過適當的裝置控制磁力的大小,如果位置感測器發現兩者間距離太靠近了,就把磁力減小,使吸引力減小,列車與軌道就不會撞上了;若發現距離太遠,則把磁力加大,把列車吸上來。透過這個方法,就能確保列車與軌道間有一定的間隔。 此外,互斥式磁浮列車雖然軌道上和列車上的極性是相同的,並不代表列車上和軌道上裝了同極的磁鐵。事實上,軌道上裝的是「線圈」,只有列車經過時才會變成與列車同極性,使列車上浮(如圖四所示),當列車通過了之後線圈的磁力很快就會消失,因此不會影響到平交道上的車輛及行人。
圖二 互斥式磁浮列車
圖二 互斥式磁浮列車
互斥式磁浮列車車身下方的磁力極性與軌道上的極性相同,因此便會產生斥力,
軌道上的磁鐵會把車身「向上推」,使車身上浮。
圖三 吸引式磁浮列車
圖三 吸引式磁浮列車
吸引式磁浮列車車身下方的磁力極性與軌道上極性相異,
軌道上的磁鐵會把列車車身「吸上來」,因此車身也會上浮。
示意圖
磁浮列車是如何前進的?
圖五 磁浮列車的行進
圖五 磁浮列車的行進
傳統的車輛,可以利用輪軸的轉動來使車輛前進,但是磁浮列車完全懸浮於空中,要怎樣才能使它前進呢?
簡單的說,讓磁浮列車前進的原理也是靠磁力。圖五是由軌道上方向俯視正在行進的磁浮列車,並在同一個地方連續拍兩張照片。我們可由第一張照片中發現列車可以靠著異性相吸、同性相斥的原理而前進,然而在第二張照片中,軌道上線圈的極性與第一張照片中軌道上線圈的極性已經完全不同了,原本N極線圈全離轉換為S極,S極的線圈則全部轉換為N極,如此一來,軌道上的線圈就可以繼續吸引列車向前進,因此只要於適當時間反覆地交換軌道線圈的極性,列車就能不斷的運行。
此外,磁浮列車上裝有引導系統,能夠使列車車身保持在軌道正上方,因此,列車就不會左右「飄」離了。
為什麼磁浮列車要使用超導體?

若要更進一步認識磁浮列車,就一定要對「超導體」有初步的了解。首先我們先來看看為什麼磁浮列車要使用超導體。
磁浮列車利用磁力使列車上浮,但由於列車的本身有相當的重量,若僅使用一般傳統的永久磁鐵,由於磁力太弱,無法達到使列車上浮的目的,這時候,就必須研發出一種相當特殊的磁鐵,才能使列車上浮。因此,有人就提出利用「電磁鐵」取代傳統的永久磁鐵,也就是利用電生磁的現象產生磁力,而這個方法可使列車距離軌道間產生大約一公分左右的間隙,但若要顧慮到列車行進的安全,一公分的距離是不夠的,例如遭遇到地震,使鐵軌產生搖晃,很容易就會碰觸到列車而產生危險;除此之外,在緯度比較高的地區,很可能會下雪,若列車距與鐵軌間的距離不夠,則無法避開軌道上的積雪或其他雜物,顯然電磁鐵的威力顯然還是不夠,因此總明的科學家們就採用了「超導體」作為磁浮列車上浮的工具,超導體可使列車上浮到距離軌道將近十公分左右的距離,因此在安全上就比使用電磁鐵的列車有保障許多,尤其是對於位處地震帶的台灣,若想要利用磁浮列車作為運輸工具,利用超導體的磁浮列車絕對是不二的選擇。
所謂的超導體,顧名思義,就是「超級導電的物體」,也就是說,我們傳統認為能夠導電的金屬,如鐵,鋁等,與超導體比起導電的能力,可以用「小巫見大巫」來形容。雖然這些金屬能夠導電,但電在經過這些金屬時,仍會消耗許多電力在這些金屬內。例如台北的甲先生要透過鐵線傳送10單位的電力給高雄的乙小姐當作生日禮物,高雄的乙小姐實際收到的電力可能只剩下2單位而已,相信甲先生知道後一定相當生氣;但若透過超導體來傳送這10單位的電力,則乙小姐一定可以收到甲先生從台北發送的10單位電力,電力一點都不會消失。相同的,若將超導體放置在磁浮列車上,只要一通電,電力永遠不會消失,相較於而電磁鐵只有在通電時候才具有磁性,電流一切斷磁性就會消失,顯然超導體還是略勝 一籌,並能節省許多電能。
既然超導體的威力如此強大,為什麼不廣泛的使用超導體作為導電媒介呢?原因在於超導體必須要在溫度相當低(約攝氏零下兩百七十度)的狀況才能發揮其超級導電的特性,也唯有在此時才能被稱為超導體,然而保持超級低溫就是一項高難度的技術了。就像將滾燙的熱水放在保溫瓶中並關上瓶蓋,隔了10天後再打開,水溫一定跟一般的水沒有兩樣,也就是說,傳統的保溫技術只能「減緩」冷卻的速度,並不能完完全全的將溫度維持住,同樣的,不論科學家如何設計,絕熱宮作總是無法完美。所以科學家們正在研究如何提高超導電磁鐵與冷卻系統的性能,這些技術都是非常尖端的科技。

結語
在看完這麼多與磁浮列車相關的知識後,相信大家一定對磁浮列車有更進一步的認識。磁浮列車有著快速、安靜、無污染、與節省能源等優點,正好彌補了現今鐵路運輸系統的不足,而現今科技一日千里,相信在不久的將來,你我都一定有機會能夠搭乘磁浮列車唷!