磁鐵同極相斥 ——磁懸浮列車是怎麼浮起來的?

2020-12-14 天極網資訊

    科普中國——科學原理一點通

    知識點：磁鐵同極相斥的斥力，無法穩定地託起火車，但把超導體放在磁鐵之上，就可以保持超導體的平穩。這是因為磁場不能穿過超導體，所以磁力線會把超導體託起來。

    我國第一輛磁懸浮列車於2003年1月，開始在上海運行，十多年過去了，大家的新鮮感消失，磁懸浮這個高端概念似乎要淡出大家的視線了。今年，我國第二條中低速磁懸浮線路京S1線全面開工建設，又讓新長起來的一代，開始聽說並好奇磁懸浮列車這個炫酷的名詞。磁懸浮列車的浮力是怎麼來的？跟磁鐵的同極相斥的浮力是一回事兒嗎？

    我們知道，磁懸浮列車是在永久磁鐵上開行的，永久磁鐵一般就是稀土材料做的，磁場強度是在1個特斯拉內。

    如果你把一塊磁鐵放在另外一塊磁鐵上，它們之間也是相互排斥的，上面那塊磁鐵仿佛也會浮起來。但馬上你就會發現，放在上面的那塊磁鐵是不可能保持穩定平衡的，稍微有風吹草動就會掉下來，這背後的隱藏的秘密就是恩紹大定理（Earnshaw's theorem）。這個定理是一個叫恩紹的英國數學家，在1842年提出來的，他發現：一個運動的物體的穩定懸浮，不可能全部由永磁體或永磁體與軟磁體之間的電磁力來實現。他從理論上證明了用永磁體實現懸浮是不可能的。也就是說，利用兩塊磁鐵之間的排斥力來託起火車是不可能保持平穩的，火車一定會翻車。

    那怎麼辦呢？難道磁懸浮是不可能實現的事兒？

    還好，科學家發現，如果把超導體放在磁鐵之上，則可以保持超導體的平穩，就好像輪船開在大海上，即使有風浪也不會翻船一樣。這背後的物理定理就超越了前面講到的恩紹大定理，而是利用麥斯納效應：磁場不能穿過超導體，所以磁力線會把超導體託起來。這話聽起來有些複雜，但是，想想初中物理課上學的液體的浮力那一章，裡面講到了阿基米德在洗澡的時候發現的那個浮力定律。把一個空心鐵球放在水裡，鐵球有可能漂浮起來，這是很司空見慣的事情。

    磁懸浮也是同樣道理嗎？

    當然是類似的！你可以把磁場想像成水，如果我們把一個超導體放在磁場裡，就好像空心鐵球放在水中一樣，水是進不了空心鐵球內部的，磁場也是進不了超導體的。這就是磁場對超導體產生浮力的原因。

    麥斯納效應是一個量子力學的宏觀現象。所以，如果你想要徹底搞清楚磁懸浮列車的浮力來源，就應該去讀一下量子力學的書。18世紀是蒸汽機的時代，19世紀是電力的時代，20世紀是IT與網際網路的時代，21世紀是量子的時代。因此，現在的時代大潮流的方向是量子力學，熱愛物理的同學們，也許可以注意這一時代特徵哦。

    作者：張軒中

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（作者：科普中國責任編輯：天極科普君）

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