Содержание
Магнитная левитация, иногда называемая магнитной подвеской, представляет собой явление, при котором два магнитных объекта отталкиваются друг от друга в вертикальном направлении. Это явление, также известное как маглев, давно признано имеющим некоторые важные коммерческие применения. Наиболее значительным из них является строительство поездов на магнитной подвеске, которые движутся на несколько дюймов выше пути с очень высокой скоростью.
Принцип действия
Представьте себе, что два стержневых Магнита подвешены один над другим с одинаковыми полюсами (два северных полюса или два южных полюса) непосредственно над и под друг другом. Любая попытка привести эти два магнита в контакт друг с другом должна будет преодолеть силу отталкивания, которая существует между двумя подобными магнитными полюсами. Сила этой силы отталкивания зависит, среди прочего, от силы магнитного поля между двумя стержневыми магнитами. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее сила отталкивания.
Если бы кто — то повторил этот эксперимент, используя очень маленький, очень легкий стержневой магнит в качестве верхнего элемента пары, можно было бы представить, что сила отталкивания была бы достаточной, чтобы удержать меньший Магнит подвешенным — левитированным-в воздухе. Этот пример иллюстрирует принцип, согласно которому сила отталкивания между двумя магнитами способна удерживать верхний предмет подвешенным в воздухе.
На самом деле сила отталкивания между двумя стержневыми магнитами была бы слишком мала, чтобы произвести описанный здесь эффект. В реальных экспериментах с магнитной левитацией это явление вызывается магнитными полями, получаемыми от электромагнитов. Например, представьте себе, что металлическое кольцо свободно закреплено вокруг цилиндрического металлического сердечника, присоединенного к внешнему источнику электрического тока. Когда ток протекает через сердечник, он создает магнитное поле внутри сердечника. Это магнитное поле, в свою очередь, создает ток в металлическом кольце, который создает свое собственное магнитное поле. Согласно закону Ленца, два магнитных поля, образующихся таким образом, — одно в металлическом сердечнике и одно в металлическом кольце-имеют противоположные полярности. Эффект, наблюдаемый в таком эксперименте, состоит в том, что металлическое кольцо поднимается вверх вдоль металлического сердечника, когда две части системы отталкиваются друг от друга. Если ток увеличить до достаточного уровня, то кольцо действительно может взлететь вверх от сердечника. В качестве альтернативы ток можно регулировать таким образом, чтобы кольцо можно было удерживать в подвешенном состоянии на любой заданной высоте относительно сердечника.
Транспортные средства на магнитной подвеске
Заслуга в предвидении применения магнитной левитации в конструкции транспортных средств обычно принадлежит американскому ученому и пионеру ракетостроения Роберту Хатчингсу Годдарду (1882 – 1945). В 1907 году Годдард опубликовал рассказ, в котором он описал транспортное средство, которое путешествовало с помощью принципа магнитной левитации. Французский инженер Эмиль Бачелет сконструировал первую рабочую модель такого транспортного средства в 1912 году. Машина Бачелет приводилась в движение силами отталкивания, созданными между медными электромагнитами, подвешенными над алюминиевой гусеницей. Однако модель Бачелет оказалась тупиковой, поскольку количество электрической энергии, необходимой для создания подвески, было слишком велико, чтобы производить ее экономически.
На самом деле, эта проблема была основной причиной того, что автомобили на магнитной подвеске оставались мечтой до самого последнего времени. Для того чтобы поднять объект весом в много тонн, необходимо создать очень сильную силу отталкивания между транспортным средством и гусеницей. Сила отталкивания, в свою очередь, может быть произведена только с помощью очень мощных электромагнитов. Вес таких магнитов и электрическая энергия, необходимая для их работы, на многие десятилетия вывели идею транспортных средств на магнитной подвеске из сферы реальных технологий.
Сверхпроводящие магниты
В течение многих лет ученым был известен по крайней мере один очевидный способ решения этих практических проблем — сверхпроводящие магниты. Сверхпроводимость-это склонность проводящего материала (например, меди) переносить электрический ток практически без сопротивления. Хотя сверхпроводимость была открыта еще в 1911 году, ее применение к реальным изобретениям всегда было ограничено тем фактом, что она наблюдалась только при температурах, близких к абсолютному нулю. Таким образом, транспортное средство на магнитной подвеске, использующее сверхпроводящие магниты, будет намного эффективнее, чем с использованием традиционных электромагнитов. Но сверхпроводящая модель также должна быть сконструирована таким образом, чтобы работать при очень низких температурах (около -450 ° F).
Тем не менее, к 1960-м годам исследователи начали разрабатывать и строить прототипы аппаратов на магнитной подвеске, работающих на сверхпроводящих электромагнитах. Большинство таких машин действовало по единому принципу. Сверхпроводящие катушки подвешены под корпусом самого аппарата на магнитной подвеске. Когда ток начинает течь через эти катушки, создается магнитное поле. Это магнитное поле, как и в предыдущем примере, создает магнитное поле в металлической колее под транспортным средством. Сила отталкивания между двумя магнитными полями толкает поезд вверх и удерживает его в подвешенном состоянии в нескольких дюймах над рельсами. По мере увеличения электрического тока в сверхпроводящих катушках увеличиваются и противоположные магнитные поля, и сила отталкивания между ними.
Конечно, транспортное средство должно не только подниматься над колеей, но и двигаться в прямом (или обратном) направлении. Эта движущая сила обеспечивается электрическим током, который протекает через направляющие катушки в гусенице. По мере изменения тока в катушках изменяется и сила магнитного поля. В результате транспортное средство на магнитной подвеске попеременно толкается и тянется изменяющимся магнитным полем в катушках. Электрический ток, проходящий через катушки, может управлять скоростью поезда.
Поезд на магнитной подвеске начинает работать, как и любой другой железнодорожный поезд, с колесами, покоящимися на рельсах. Когда электрический ток начинает протекать через его сверхпроводящие катушки, поезд толкается вперед по рельсам, а затем постепенно отрывается от них. На максимальной скорости большинство поездов рассчитано на движение на несколько дюймов выше пути и на скорости 250 миль (402 км) в час или более.
Недостатки автомобилей на магнитной подвеске
Магнитная левитация как средство передвижения не лишена своих проблем. Например, первоначальные планы предполагают строительство магнитных трасс в Соединенных Штатах, примыкающих к национальной системе межштатных автомагистралей. Но пассажиры, путешествующие в поезде на магнитной подвеске со скоростью 250 миль в час, будут ощущать гораздо более сильные гравитационные силы при повороте межштатной кривой, чем пассажиры в автомобиле, движущемся со скоростью 65 миль (105 км) в час. Кроме того, первоначальные испытания показывают, что автомобили на магнитной подвеске могут производить высокий уровень шума при работе на максимальной скорости. Испытания показали, что уровень звука в 100 децибел на расстоянии 80 футов (24 м) от направляющей может быть возможным. Однако такие уровни звука неприемлемо высоки для любой населенной области.
Как и с чем-либо, сделанным людьми, механические проблемы и человеческие ошибки могут возникать с машинами на магнитной подвеске. Например, 11 августа 2006 года на борту Шанхайского коммерческого Трансрапида произошел пожар после того, как он покинул станцию в Лунъяне. Кроме того, 22 сентября 2006 года поезд на магнитной подвеске врезался в вагон технического обслуживания на севере Германии, ранив и убив десятки людей.
Перспективы автомобилей на магнитной подвеске
Начало новой эры МАГЛЕВЫХ технологий можно проследить до начала 1960-х. В этот период многие наблюдатели рассматривали транспортные средства на магнитной подвеске как способ решения ряда проблем, стоящих перед Соединенными Штатами и другими развитыми странами. Например, они предложили, по-видимому, эффективный способ быстрого и эффективного перемещения большого количества людей по городским районам и вокруг них. Они могли питаться практически любой формой энергии, из которой можно было бы получить электричество, а не только углем или нефтью. К 1970 году было построено несколько моделей автомобилей на магнитной подвеске.
Это исследование активно продолжалось в ряде стран, включая Японию, Великобританию, Германию, Корею и Францию. Все эти страны разработали ряд прототипов транспортных средств, которые переходят в коммерческую эксплуатацию. Например, японские инженеры спроектировали испытательную линию протяженностью 27 миль (43,5 км) через префектуру Яманаси, которая будет перевозить до 10 000 пассажиров в час в 14-вагонных поездах, движущихся со скоростью 310 миль (499 км) в час. Некоторые немецкие модели использовали несколько иную форму магнитной левитации. Немецкий Трансрапид имеет непроводящие магниты, прикрепленные к кузову автомобиля и подвешенные под направляющим рельсом. Магниты притягиваются (а не отталкиваются) вверх к рельсу, поднимая поезд в пределах дюйма от направляющего рельса. 31 декабря 2002 года немецкий Трансрапидный поезд на магнитной подвеске прошел свой первый коммерческий маршрут в Китае от Шанхайской дороги Лонг-Ян до международного аэропорта Пудун. Он перевозит людей на расстояние 18,5 миль (30 км) за семь минут 20 секунд с максимальной скоростью 268 миль в час (431 км/ч) и средней скоростью 150 миль в час (250 км/ч). Первая в мире коммерческая автоматизированная система MAGLEV, получившая название Linimo, начала свою работу в марте 2005 года в японском городе Айти.
Однако в противовес этому прогрессу Соединенные Штаты к 1975 году практически отказались от исследований в области магнитной левитации. Это решение, принятое Управлением по вопросам управления и бюджета, было принято исходя из убеждения, что транспортировка на магнитной подвеске не будет экономически целесообразной альтернативой в США в обозримом будущем.
В начале 1990 – х годов это отношение претерпело резкий поворот, в основном в результате интереса одного политика, сенатора Дэниела Патрика Мойнихана (1927-2003) из Нью-Йорка. Мойнихан пришел к убеждению, что транспортные средства на магнитной подвеске-это средство, с помощью которого можно решить проблемы междугородних перевозок. Кроме того, как председатель сенатского подкомитета, ответственного за систему автомобильных дорог США,
КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
Электромагнетизм-единое электрическое и магнитное силовое поле, создаваемое прохождением электрического тока через материю.
Сверхпроводимость-тенденция электрического тока протекать через проводник, практически не имеющий сопротивления.
Мойнихан был в состоянии претворить свои убеждения в жизнь. В 1989 году Мойнихан включил в законопроект о шоссе специальное положение о разработке новой технологии магнитной левитации-программы разработки прототипов магнитной левитации с бюджетом в 750 миллионов долларов. Учитывая эти стартовые деньги, многие эксперты вновь возлагают большие надежды на возможное развитие программы коммерческих автомобилей на магнитной подвеске в Соединенных Штатах. В 2006 году продолжаются исследования линий маглева в Южной Калифорнии-Лас-Вегасе (Невада), Балтиморе-Вашингтоне, округ Колумбия, Гонолулу (Гавайи), Дейтоне-Сент-Луисе. Питтсбург (Флорида), Сан-Диего (Калифорния), Питтсбург (Пенсильвания) и Портленд (Орегон) — Ванкувер (Британская Колумбия).
По мере того как в мире все чаще строятся системы на магнитной подвеске, затраты на их разработку и обслуживание будут снижаться. Например, Шанхайский поезд на магнитной подвеске обошелся в 1,2 миллиарда долларов, что составляет около шести долларов на одного пассажира. Однако по состоянию на октябрь 2006 года использование поездов на магнитной подвеске в мире ограничено лишь несколькими участками. Большинство поездов на магнитной подвеске все еще находятся в стадии эксперимента и разработки.
Ресурсы
Книги
Дай, Хуэйгуан. Динамическое поведение транспортного средства на магнитной подвеске/направляющей системы с управлением. Ann Arbor, MI: ProQuest/UMI, 2006.
Гиерас, Яцек Ф. Линейные синхронные двигатели: системы транспорта и автоматизации. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 2000.
Moon, Francis C. Линейная сверхпроводящая левитация: приложения к подшипникам и магнитной транспортировке. Нью-Йорк, Уайли, 1994.
Другое
АКФ Newsource. «Новые скоростные поезда без рельсов и колес идут со скоростью 300 миль в час» (дата обращения октябрь 15, 2006).
HowStuffWorks Inc. » как работают поезда на магнитной подвеске» (дата обращения октябрь 15, 2006).
Мюллер, Кристофер, Railserve.com. «Магнитная левитация для транспортировки» (дата обращения октябрь 15, 2006).
Процитируйте эту статью
Выберите стиль ниже и скопируйте текст для вашей библиографии.
https://www.encyclopedia.com/science-and-technology/physics/physics/magnetic-levitation
Загрузка...
