9.3 《電生磁》參考資料（人教版八年級下）初中物理

.::;電生磁參考資料一、奧斯特丹麥物理學家奧斯特(HansChristianOersted，1777—851)1777年8月14日生于丹麥朗格蘭德島一個藥劑師家庭．12歲開場協(xié)助父親在藥房里干活，同時堅持學習化學．由于刻苦攻讀，17歲以優(yōu)良的成果考取了哥本哈根大學的免費生．他一邊當家庭老師，一邊在學校學習藥物學、天文、數(shù)學、物理、化學等．1806年任哥本哈根大學物理學教授，1821年被選為英國皇家學會會員，1823年被選為法國科學院院士，后來任丹麥皇家科學協(xié)會會長．奧斯特早在讀大學時就深受康德哲學思想的影響，認為各種自然力都來自同一根源，可以互相轉(zhuǎn)化．富蘭克林發(fā)現(xiàn)的萊頓瓶放電使鋼針磁化的現(xiàn)象，對奧斯特啟發(fā)很大，他認識到電向磁的轉(zhuǎn)化不是不可能的，關鍵是要找出轉(zhuǎn)化的詳細條件．他在1812年出版的?關于化學力和電力的統(tǒng)一性的研究?中，根據(jù)電流流經(jīng)直徑較小的導線會發(fā)熱，推測假如通電導線的直徑進一步縮小，那么導線就會發(fā)光；使通電導線的直徑變得更小，小到一定水平時，電流就會產(chǎn)生磁效應．他指出：“我們應該檢驗電是否以其最隱蔽的方式對磁體有所影響．〞尋找這兩大自然力之間聯(lián)絡的思想，經(jīng)常盤繞在他的頭腦中．1819年冬，奧斯特在哥本哈根開設了一個講座，講授電磁學方面的課題．在備課中，奧斯特分析了前人在電流方向上尋找磁效應都未勝利的事實，想到磁效應可能像電流通過導線產(chǎn)生熱和光那樣是向四周散射的，即是一種橫向力，而不是縱向的．1820年春，奧斯特布置了一個這方面的實驗，他采用講演時常用的電池槽，讓電流通過一根很細的鉑絲，把一個帶玻璃罩的指南針放在鉑絲下面，實驗沒有獲得明顯的效果．1820年4月的一天晚上，奧斯特在講課中突然呈現(xiàn)了一個想法，講課快完畢時，他說：讓我把導線與磁針平行放置來試試看．當他接通電源時，他發(fā)現(xiàn)小磁針微微動了一下．這一現(xiàn)象使奧斯特又驚又喜，他緊緊抓住這一現(xiàn)象，連續(xù)進展了3個月的實驗研究，終于在1820年7月21日發(fā)表了題為?關于磁針上的電流碰撞的實驗?的論文．這篇僅用了4頁紙的論文，是一篇極其簡潔的實驗報告．奧斯特在報告中講述了他的實驗安裝和60多個實驗的結果，從實驗總結出：電流的作用僅存在于載流導線的四周；沿著螺紋方向垂直于導線；電流對磁針的作用可以穿過各種不同的介質(zhì)；作用的強弱決定于介質(zhì)，也決定于導線到磁針的間隔和電流的強弱；銅和其他一些資料做的針不受電流作用；通電的環(huán)形導體相當于一個磁針，具有兩個磁極，等等．奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流磁效應，是科學史上的嚴重發(fā)現(xiàn)．它立即引起了那些懂得它的重要性和價值的人們的注意．在這一嚴重發(fā)現(xiàn)之后，一系列的新發(fā)現(xiàn)接連呈現(xiàn)．兩個月后安培發(fā)現(xiàn)了電流間的互相作用，阿拉果制成了第一個電磁鐵，施魏格發(fā)明電流計等．安培曾寫道：“奧斯特先生……已經(jīng)永遠把他的名字和一個新紀元聯(lián)絡在一起了．〞奧斯特的發(fā)現(xiàn)揭開了物理學史上的一個新紀元．奧斯特不只是一位著名的物理學家，還是一位優(yōu)秀的老師．他的講課有扮演，有分析．他非常重視實驗，他說過“我不喜歡那種沒有實驗的枯燥的講課，因為歸根到底，所有的科學進展都是從實驗開場的．〞二、對磁懸浮，你理解多少呢？高速低耗懸浮列車是一種采用無接觸的電磁懸浮、導向和驅(qū)動系統(tǒng)的磁懸浮高速列車系統(tǒng).它的時速可到達500公里以上，是當今世界最快的地面客運交通工具，有速度快、爬坡才干強、能耗低的優(yōu)點，每個坐位的能耗僅為飛機的三分之一、汽車的70%.它運行時噪音小、平安溫馨、不燃油，污染少.

本世紀五、六十年代，鐵路曾經(jīng)被認為是一個夕陽運輸產(chǎn)業(yè).因為面對航空、高速公路等運輸對手的強勁挑戰(zhàn)，它蝸牛般的爬行速度，已越來越不適應現(xiàn)代工業(yè)社會物流和人流的快速流動需要了.但七十年代以來，特別是近幾年來，隨著鐵路高速化成為世界的熱點和重點，鐵路重新贏回了在各國交通運輸格局中舉足輕重的地位.法國、日本、俄國、美國等國家列車時速由200公里向300公里開展.1995年舉行的國際鐵路會議預測，到20世紀末，德國、日本、法國等國家的高速鐵路運營時速將到達360公里.要使列車在如此高的速度下持續(xù)行駛，傳統(tǒng)的車輪加鋼軌組成的系統(tǒng)，已經(jīng)無能為力了.在這種情況下，只能使用一種超凡規(guī)的列車－－磁懸浮列車.

普通列車行駛時，車輪與鋼軌是緊緊貼在一起的，當列車高速行駛時，車輪與鋼軌的阻力就大大增加.據(jù)科學家計算，依*動力牽引，車輪與鋼軌接觸的普通輪軌列車，最大時速為380公里左右，假如考慮到噪音、震動、車輪和鋼軌磨損等因素，實際速度不可能到達最大時速.所以，歐洲、日本如今正運行的高速列車，在速度上已沒有多大潛力.要進一步進步速度，必需轉(zhuǎn)向磁懸浮技術.

我們曉得：把兩塊磁鐵一樣的一極*近，它們就互相排擠，反之，把相反的一極*近，它們就互相吸引.托起磁懸浮列車的，那似乎神秘的懸浮之力，其實就是這兩種吸引力與排擠力.這種列車懸浮在軌道上方，和軌道之間沒有直接接觸，運行阻力大大減小，因而磁懸浮列車的最大時速可以到達500公里以上.

兩種技術

根據(jù)吸引力和排擠力的根本原理，國際上磁懸浮列車有兩個開展方向.一個是以德國為代表的常規(guī)磁鐵吸引式懸浮系統(tǒng)－－EMS

系統(tǒng)，利用常規(guī)的電磁鐵與一般鐵性物質(zhì)相吸引的根本原理，把列車吸引上來，懸空運行；另一個是以日本為代表的排擠式懸浮系統(tǒng)－－EDS

系統(tǒng)，用超導的磁懸浮原理，使車輪和鋼軌之間產(chǎn)生排擠力，使列車懸空運行.這兩個國家都堅決地認為自己國家的系統(tǒng)是最好的，都在把各自的技術推向?qū)嵱没A段.估計到下一個世紀，這兩種技術道路將仍然并存.

北京大學張承福教授認為，比較而言，日本的排擠式系統(tǒng)比較有利.它在物理上的原理比較簡單，懸浮穩(wěn)定，車輪與鋼軌之間的間隔堅持在10厘米左右，對鋼軌的要求不那么嚴格；由于對控制系統(tǒng)的要求較低，所以能耗也少.而吸引式的懸浮系統(tǒng)只能把車輪與鋼軌堅持在3-4厘米左右，這就需要有一個良好的控制系統(tǒng)，能耗自然就多；而且它對鋼軌的要求也很高，遇上軌道上有冰雪，或上下不平的路段就影響運行.

開展歷程

磁懸浮列車今天看似乎還是一個新穎事物，其實它的理論準備有很長的歷史.1929年德國人首先提出了磁懸浮理論，在相當長的時期內(nèi)，他們就不時方案搞一條磁懸浮鐵路.日自己1972年開場嘗試EDS

系統(tǒng)，但這個原理早在1966年就由美國人提出來了.這套技術的理論背景與當時的超導技術開展嚴密相關.因為六、七十年代，是世界超導應用研究的鼎盛時期，利用超導原理，處理一些應用難題是那時的熱點.

日本磁懸浮列車山梨實驗線曾在1997年12月發(fā)明了不載客時速550公里的世紀記錄.而在1999年4月14日，山梨實驗線更創(chuàng)世界鐵路行車時速552公里的世界新紀錄.這次的實驗列車由5節(jié)車廂組成，乘客13人，總負荷為10噸重，兩次行駛實驗都跑出了每小時552公里的速度，并準備今后將進展耐久性實驗和時速在500公里情況下的錯車實驗.

中國于1876年修建了第一條鐵路，日本于1872年修建第一條鐵路，兩國只相差4年.但日本修建第一條高速鐵路的時間是1964年；1982年，日本就開通了第一條超導磁懸浮實驗線，而20世紀完畢時，我國還只要一條時速才170公里的廣深準高速鐵路.

但中國的磁懸浮技術開展很快.目前，國內(nèi)國防科技大學和西南交通大學都在進展磁懸浮列車的研制工作，都已經(jīng)有了比較成熟的技術.2001年，國防科大磁懸浮實驗線路建成，西南交大的實驗線路也正在建立.磁懸浮在中國的市場運做進展也很順利，德國柏林到漢堡之間的磁懸浮鐵路建立方案擱淺以后，轉(zhuǎn)而與中國達成協(xié)議，在上海修建一條可能將是世界上首條進展商業(yè)運行的磁懸浮鐵路.北京，四川等地也正準備修建類似鐵路.

市場定位

現(xiàn)有的運輸網(wǎng)絡是陸海空多種運輸手段結合的綜合系統(tǒng)，各種交通工具之間，既有明確分工，又有劇烈競爭，而且飛機和汽車的運輸速度也在日新月異地開展，那么，假如說要開展磁懸浮列車的話，它的市場應在哪里定位呢？

北京大學的張承福教授認為，向空中開展有一定的局限性，比方周期性的運輸或長間隔的運輸，用飛機可能比較適宜，但假如幾百公里的間隔也用飛機就不經(jīng)濟了.因為機場離城市一般比較遠，飛機起降需要不少時間，因而，從效率看，飛機雖然比其它的運輸工具快，但除開起降時間，在幾百公里的范圍內(nèi)，它與高速列車，特別是將來的磁懸浮列車相比并沒有什么優(yōu)勢.而且飛機的能耗比列車要大得多.而陸地高速運輸----高速鐵路，也有其局限性－－速度極限、噪音污染，摩擦損耗等等.因而，各國過去準備搞普通高速列車的，如今都傾向于搞磁懸浮列車.

磁懸浮列車既然如此先進，如此快速，我國能不能很快就開展磁懸浮鐵路，使中國的大地風馳電掣地飛馳著磁懸浮列車呢？

中國科學院邱勵儉院士認為，好的東西不一定決定你馬上不夠上.磁懸浮列車花費太大，1公里高速公路投資需要2億人民幣，1公里磁懸浮鐵路投資翻兩番都不止.假如要修一條從北京到天津的高速公路，投資300-400億人民幣足夠，而修一條磁懸浮鐵路，沒有1000億人民幣是不可能的.所以他認為應該要慎重.邱院士的意見，代表了很大一局部人的意見，因而中國對開展磁懸浮列車采取的是循序漸進的戰(zhàn)略.三、高速磁懸浮列車的誘惑

--在1500公里旅行間隔內(nèi)，坐高速磁懸浮列車好還是乘飛機好？

--中國將建造全長8000公里的高速客運專用網(wǎng)，高速磁懸浮列車技術能入選嗎？

--國際上磁懸浮列車技術已近成熟，中國如何發(fā)揮後發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)技術跨越？

整個人類客運交通開展的歷史是一個速度不時進步的歷史。每一種新型交通工具的呈現(xiàn)和嚴重技術的打破都隨同速度的顯著進步。二十世紀在這方面尤為突出，飛機、汽車與火車均在不時刷新其速度的紀錄，高速磁懸浮列車開展尤為令人矚目。

傳統(tǒng)輪軌鐵路的運營速度經(jīng)過100多年的開展，到達了300-350公里／小時，其進一步進步受到了用輪軌支承和受電弓供電的限制。高速磁懸浮列車用電磁力將列車浮起而取消輪軌，采用長定子同步直流電機將電供至地面線圈，驅(qū)動列車高速行駛，從而取消了受電弓，實現(xiàn)了與地面沒有接觸、不帶燃料的地面飛行，克制了傳統(tǒng)輪軌鐵路的主要困難。從六十年代起，日本、德國作為強大的國家研究開展方案，投入了數(shù)十億美圓的資金，經(jīng)過持續(xù)努力，使整個技術已經(jīng)成熟到可以建造實用運營，最高試驗運營速度已達550公里／小時。從而，人類地面客運的速度可望在21世紀前、中期到達500公里／小時的新水平，使高速地面交通的開展繼續(xù)長足前進。

磁懸浮列車的七大優(yōu)勢

作為目前最快速的地面交通工具，磁懸浮列車技術確實有其他地面交通技術無法比較的優(yōu)勢。

首先，它克制了傳統(tǒng)輪軌鐵路進步速度的主要障礙，開展前景廣闊。

第一條輪軌鐵路出如今1825年，經(jīng)過140年努力，其運營速度才打破200公里／小時，由200公里／小時到300公里／小時又花了近30年，雖然技術還在完善與開展，繼續(xù)進步速度的余地已不大，而困難很大。還應注意到，輪軌鐵路進步速度的代價是很高的，300公里／小時高速鐵路的造價比200公里／小時的準高速鐵路高近兩倍，比120公里／小時的普通鐵路高三至八倍，繼續(xù)進步速度，其造價還將急劇上升。世界第一個磁懸浮列車小型模型是1969年在德國呈現(xiàn)的，日本是1972年造出的。可僅僅十年後的1979年，磁懸浮列車技術就發(fā)明了517公里／小時的速度紀錄。目前技術已經(jīng)成熟，可進入500公里／小時實用運營的建造階段。

第二，磁懸浮列車是當今唯一能到達運營速度500公里／小時的地面客運交通工具，具有不可取代的優(yōu)越性。

對於客運來說，進步速度的主要目的在於縮短乘客的旅行時間，因而，運行速度的要求與旅行間隔的長短嚴密相關。各種交通工具根據(jù)其自身速度、平安、溫馨與經(jīng)濟的特點，分別在不同旅行間隔中起骨干作用。專家們對各種運輸工具的總旅行時間和旅行間隔的分析說明，按總旅行時間考慮，300公里／小時的高速輪軌與飛機相比在旅行間隔小於700公里時才優(yōu)越。而500公里／小時的高速磁懸浮，那么比飛機優(yōu)越的旅行間隔將達1500公里以上。

上述觀點已為近年來國際高速輪軌交通的理論所證實。國際上250-300公里／小時的高速輪軌鐵路迄今共有13條運營，總長4369公里。除日本東京--博多全長1069公里外，其它均小於600公里。日本各種交通工具市場占有率與旅行間隔間的關系說明，250公里／小時的新干高速輪軌鐵路，隨旅行間隔的增加，其市場占有率迅速上升，在約800公里時到達約70%的峰值。間隔繼續(xù)增大，由於旅客更多項選擇擇了飛機，占有率急劇下降，1200公里時降到約30%。

第三，能耗低。它在500公里／小時速度下每座位·公里的能耗僅為飛機的1／3至1／2，比汽車小30%。在300公里／小時的一樣速度下，德國TR磁浮列車每座位/公里能耗比ICE1在300公里／小時速度時相當。

第四，噪音小。實測說明，列車通過時25米間隔處的噪音，在300公里／小時速度時，德國TR列車為79分貝，ICE1列車為91分貝。

啟動停車快，爬坡才干強，選擇自在度較大是高速磁懸浮的第五大優(yōu)點。德國TR07磁浮列車啟動50秒後(行程2公里)，時速可達200公里／小時，100秒後(4.8公里)達300公里／小時，150秒後(9.6公里)達400公里／小時；ICE輪軌高速在150秒後(行程5公里)達200公里／小時。已經(jīng)證明，磁浮列車爬坡才干可達100%，而輪軌高速為40%，在同等速度下，磁懸浮列車轉(zhuǎn)彎半徑小，從而其選自在度較大，這意味路可較短、少占地面、耕地，降低總投資。

磁懸浮列車與輪軌列車相比還有平安、溫馨，維修少的優(yōu)勢。磁浮列車在構造上保證不易脫軌，推進方式保證不易撞車。磁懸浮列車沒有車輪和鐵軌的接觸以及與受電弓的機械接觸，震動小，溫馨性好，其工作屬於無磨損運行，維修主要集中在電子技術方面，不需大量體力勞動。

第七大優(yōu)點是，磁懸浮列車采用電力驅(qū)動，不需燃油，這使它的開展不受能源構造，特別是燃油供給的限制；同時，無有害氣體排放，環(huán)境污染小。

當然，磁懸浮列車技術還處在開展中，與國際上已建成總長4369公里、運營已有三十多年經(jīng)歷的高速輪軌鐵路相比，高速磁懸浮列車在技術成熟性和建立運營經(jīng)歷上還有明顯差距。比方，作為一種新型交通工具，高速磁懸浮列車與輪軌鐵路只能像汽車、飛機、輪船一樣通過換乘來兼容；同時，高速磁懸浮的道岔要挪動地面圈系統(tǒng)，其成網(wǎng)要比輪軌鐵路困難一些；在運量方面，從目前日本高速磁懸浮的運量目的看，單向10000人／小時，似乎還不大；等等。這是任何一種新技術與傳統(tǒng)技術比較時通常遇到的情況。至於投資，有人認為它需要的投資較大，也是與高速輪軌鐵路相比的一個弱勢。實際上，高速磁懸浮的投資確實比高速輪軌鐵路高1.2-1.5倍，但前者的速度卻比後者要高出50-70%，這樣比較起來，其實是一個優(yōu)點。隨產(chǎn)業(yè)開展與經(jīng)歷的積累，其降低投資的可能性與幅度可能遠大於高速輪軌。

中國具備開展磁懸浮列車的需求

我國第一條鐵路建成在1876年，經(jīng)過七十多年的開展，全國解放時總長2.18萬公里，承當全國65%的客運量和約85%的旅客周轉(zhuǎn)量，是主要的客運交通工具。建國以來，我國鐵路得到了迅速開展，營業(yè)里程迅速增長，到達當前的6.5萬公里，直到七十年代中後期，仍然堅持全國客運中的骨干地位。八十年代以來，由於公路與民航的迅速開展，以及經(jīng)濟開展對客運速度進步的需求日益增大，導致了鐵路在客運中的地位明顯下降，1997年鐵路在全國客運量中的份額降至7%，在旅客周轉(zhuǎn)量中份額降至35%。人們已經(jīng)認識到，必需鼎力致力於客運提速，才干堅持和開展鐵路作為重要客運工具的地位。近年來，在既有提速和建造高速輪軌鐵路的準備方面，獲得了可喜的成果。

我國是否需要高速磁懸浮列車與如何預測我國鐵路網(wǎng)的需求和開展嚴密相關。最近鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院路網(wǎng)研究所李宏等同志發(fā)表了21世紀上半葉我國鐵路網(wǎng)需求與總規(guī)模的預測研究結果，并提出了開展設想。依照他們的研究意見，我國鐵路在21世紀上半葉仍屬建立高潮時期，約至2050年全國人口約14.7億，城鎮(zhèn)人口約占75%；鐵路年人均乘車率將由目前的0.8次增至約3次；鐵路旅客平均行程將由目前的約360公里增至460-500公里，鐵路旅客周轉(zhuǎn)量將達2-2.2萬億人公里。從上述預測需求動身，他們建議：我國鐵路網(wǎng)總規(guī)模將由目前的6.5萬公里增至12萬公里。

新的鐵路網(wǎng)將由三局部組成，即：約0.8萬公里的高速客運專網(wǎng)；約2-2.2萬公里的客貨混跑快速客運網(wǎng)和約9萬公里的普通鐵路網(wǎng)。顯然，這意味我國已具備了開展磁懸浮列車的需求。當前問題的關鍵在於，21世紀上半葉我國將建造的、目前為零、全長近8000公里的高速客運專網(wǎng)應該采用500公里／小時的高速磁懸浮鐵路還是300公里／小時的高速輪軌鐵路，這是決定我國是否需要高速磁懸浮鐵路的根底。

合適中國高速客運國情的選擇

關於高速磁懸浮列車是開展我國高速客運的最正確選擇這個觀點，至少有三個重要的論據(jù)：

其一，我國幅員遼闊，人口眾多。目前考慮的主要客運專(京滬1320公里，京廣港澳2550公里，哈大940公里，徐州寶1030公里，浙贛940公里，津瀋730公里，滬杭194公里)大多在100公里以上。500公里／小時的磁懸浮列車比300公里／小時的高速