磁悬浮列车！如何通过超导技术实现强悬浮力

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公众号EV技研作者19002019/08/01电动汽车 IP:北京

超导科学史液氦冷却

超导指电阻变为零的现象，是荷兰低温物理学家卡末林·昂内斯（1853 ～ 1926）于1911 年偶然发现的。固态、液态、气态为物质的三态。水在100℃以上为气态（水蒸气），0 ～ 100℃时为液态，0℃以下为固态（冰）。低温下气体会液化，温度持续下降时甚至会变为固态。氧气在 - 183℃时变为液态，到-219℃时变为固态。氢气在-196℃时变为液态，-210℃时变为固态。低温物理学家昂内斯从事气体液化研究，成功液
化了氩、氢等之后，于1908 年世界首次成功液化了氦，温度为-269℃（图1）。

图1温度极低时金属的电阻

液体制冷能力远强于气体。昂内斯利用液氦进行低温实验确认温度极低时金属的电阻的变化情况，当时提出的假设有两种：
·温度降至绝对零度时，电子无法移动，电阻变为无限大
·温度降至绝对零度时，电子可自由移动，电阻近似为零

超导现象的发现

含杂质的金属会影响实验结论。当时的提炼技术还不成熟，但可以提炼出高纯度的汞。所以选用汞进行实验。昂内斯发现当温度降至-269℃左右时，电阻变为零。起初他以为实验发生了错误。但在进行了各种验证后，确认了电阻消失并将其命名为超导现象（图2）。

图2发生超导现象的原因

科学家始终不能阐明超导现象发生的原因。因此，超导现象曾一度成为20 世纪最大的固体物理之谜。美国伊利诺伊大学的巴丁（Bardeen），库珀（Cooper）和施里弗（Schrieffer）提出了超导现象发生原因的理论。此理论以三人名字首字母命名，称为BCS 理论。电子与固体的晶格相互作用，由于这种相互作用，电子失去动能，产生电阻。如图3 所示，

图3
根据BCS理论，电子成对运动，一个电子可以从原子那里收到另一个电子失去的动能。最终，电子并未发生能量损耗。

昂内斯的梦想利用超导制作超强电磁体

因为超导体电阻为零，也许有人会想将其应用到发电站传输电能的输电线中。存在电阻就意味着损耗，但如果是超导体就不会发生这种情况。发现超导时（1911 年），电远没有现在应用广泛。
并不会出现如今这种因电能不足而困扰的情况。昂内斯计划将超导现象应用到电磁体中。如前所述，如果使用普通导体金属材质线圈，受电阻影响，会产生热量，不能形成强磁体。但是，利用无电阻的超导线材就不会产生热量，任何大电流都可流通。因此昂内斯希望能以此制出超强磁体。

磁场会破坏超导

遗憾的是昂内斯并没有实现这个梦想，因为磁场会破坏超导。虽然他用各种超导材料进行了实验，但可以承受的磁通密度最大仅为0.1T。磁通量无法进入超导体内。如图4 所示，磁通量进入超导体好比将空心球体放入水中，水压升高会破坏水中的球体，磁通密度增加会破坏处于磁场中的超导现象。

图4

昂内斯的遗憾

昂内斯持续探索可承受强磁场的超导材料，却毫无进展。终其一生，也没能实现制作超强磁体的梦想。

发现新时代的超导体

昂内斯离世三十多年后，科学家终于发现了可以承受强磁场的新型超导体。

揭开超导体不耐磁场之谜

最初，超导体上有孔和缺口等，会导致某些奇怪的行为。因其存在于非超导部分，所以即使磁场进入也不会产生问题。这并不是缺陷，而是有异于超导体本质的特征。昂内斯发现的磁场并不能进入超导体，如果增加磁场，超导现象会消失。观察图4（c）可知，磁场突然进入超导体中，会破坏超导。始终保持超导纯度的超导体，称为第1 类超导体。

耐磁场超导体的开发

如图5 所示，新型超导体破坏一部分超导。将磁场引入被破坏的部分，缓和了磁压，也保留了大部分磁场。这种超导体称为第2 类超导体。进入第2 类超导体中的磁场呈细线分布。超导体内里磁通量贯通。此部分超导被破坏，为正常传导。

图5
发现耐强磁场的超导体

磁场变强，第2 类超导体中的正常传导区域会扩大，磁通量也会增大。但只要还有超导部分，就可以利用超导体的零电阻特性。正常传导磁通量进入第2 类超导体也存在界限。这称为临界磁场（HC2），值取决于材料。在液氦冷却状态下，NbTi（铌钛）合金可承受的磁通密度为10T，Nb3Sn（铌锡化合物）可承受的磁通密度甚至可达 20T。

磁阻第2 类超导体有电阻

耐超强磁场超导体的出现，进一步接近了昂内斯的超强电磁体梦。但此时又出现了新的问题，磁场进入第2 类超导体后，接通电流会产生电阻，但超导体理应没有电阻。这可以说是电与磁的宿命。第2 类超导体中残留强磁场是因为磁通量贯穿超导体，缓和了磁压。磁通量通过部分的超导被破坏变为正常传导。

第2 类超导体在强磁场中产生大量的热

电流在这种超导体中流动时，磁场会受到洛伦兹力的影响。磁通量通过的部分变为正常传导，电阻不为0。结果必然会产生热量。磁通密度越大，磁通量越大，产生的热量也相应地越大。如果不对热量进行处理，就会导致超导体温度持续上升。超过临界温度时，会破坏超导现象。第2 类超导体的钉扎效应磁通量进入正常传导部分，避开超导部分

第2类超导体中存在电阻不属于超导自身的性质。但因电流与磁场（磁通量）的相互作用，正常传导部分也会发生电磁感应，并产生电阻，导致发热。只要阻止磁通量的移动，就不会使正常传导部分发生电磁感应，保持零电阻。

磁通量能否在超导体的正常传导部分移动

如图6所示，可知电流流向超导体时，正常传导部分的电子因通过的磁通量而产生洛伦兹力。如果磁场在正常传导部分移动，因其为超导体，所以仅在超导部分与正常传导粒子交叉的部分产生（极小的）电磁感应，并从超导变为正常传导。与正常传导交叉的部分的磁通量更为稳定。

图6

正常传导状态下的磁通量难以移动

由图7（a）可知，只有超导时，磁通量可以自由移动。但如图7（b）所示，当超导中包含正常传导部分时，磁通量在超导与正常传导交叉的部分的磁场难以发生变化。要想使正常传导部分的磁通量移动，就需要破坏与正常传导部分交叉的超导。与用钉阻止磁通量的操作相似，这称为钉扎效应。产生钉扎效应的正常传导粒子称为钉扎中心。

图7

磁通量大小

磁通量实际是随温度的变化而变化的。使钉扎中心大量分散到超导体并不容易。让有限的超导体分散于在强磁场中可作为钉扎中心的材料中更容易。

电阻为零，也有电流限制

电流增大，洛伦兹力也增大。因此，流通的电流也有界限，这个电流称为临界电流。在超导体内部发挥钉扎效应的普通导体，即钉扎中心，其分散程度决定临界电流的大小。原本，对超导体而言，内部混入普通导体（杂质）并不是一件好事。但如果没有杂质，又无法发生超导现象。

目前有2 种超导磁体材料

目前超导磁体采用的是Nb（铌）和Ti（钛）的合金NbTi 与Nb 和Sn（锡）构成的化合物Nb3Sn。NbTi 可以从超导NbTi 母体中析出极细小Ti。充分发挥钉扎效应。这种材料制成的超导磁体非常强。MRI 和超导磁悬浮列车采用的就是这种材料。

淬冷超导线圈可流通多大电流

第2 类超导体的出现和钉扎效应的发现，实现了超导磁体之梦。但是，在工业应用中必须注意安全性和稳定性。超导磁悬浮列车作为强磁体使用时，必须流通大电流（励磁）。此时，必须慢慢地增大电流。

量子化磁通量电流增大，发生移动

此时出现了新的问题，电流流通必然会产生磁场。超导体中量子化磁通量随电流的增大而增大。磁通量分布也随之变化。因此，电流增大时，磁通量从一个钉扎中心移动到另一个钉扎中心。磁通量的移动会引起励磁时的发热。

超导不耐热

在极低温度下才能实现超导。昂内斯研发超导磁体时，为实现超导利用液氦进行冷却。低温下的比热非常小，产生的热量很快传向超导材料。此时，需要利用液氦冷却剂散热。但如果散热不够充分，热量会迅速扩展到超导体，导致温度上升。瞬间的温度升高会造成超导的破坏。这种超导突然破坏的现象称为淬冷。淬冷与淬火类似，表示突然升温。

淬冷使超导线圈受损

淬冷会破坏超导，使线圈的功能失效。因此，在超导磁体开发初期，为了不发生淬冷，需慢慢进行励磁，谨慎操作。边增大电流边观察其变化，确认未发生淬冷后，再继续增大电流，反复作业。

减小线径使散热更容易

解决淬冷问题需进行以下尝试。首先，必须将超导线减小到极细（0.1mm 以下）。利用传热系数高的金属铜等将其包裹，因铜的传热系数较高，可以立即吸收超导体的热量（图9）。

图9
线变细时，超导体中的电流也会变小。因此，必须将大量的细线捆扎成线束。

超导体线圈的多芯结构

图10
图10 所示为多芯结构的制作方法。首先，在粗铜管中制作一些孔，然后将NbTi 超导体棒塞入其中。再改变这种铜管形状并进行机械加工，就形成了铜管中NbTi 超导体呈细线状分布的多芯结构。如果想使NbTi 线变得更细，可以向空铜管中插入加工后满是NbTi 的铜棒，再进行机械加工。这样，就形成了线更细的多芯结构。

解决淬冷问题，实现超导磁体

使用这种方法，制作出了即使高速励磁也不会发生淬冷的超导磁体。超导磁悬浮列车最初也存在严峻的淬冷问题，但使用多芯结构可以解决这一难题。

冷冻技术不使用高温超导体的理由

超导体不进行冷却就无法发生超导。实际上，目前也发现了高温超导体，在液氢-196℃状态下即可发生超导。但超导磁悬浮列车采用的超导材料是NbTi 合金，不使用液氦（沸点-269℃）冷却就无法发生超导。
高温超导体由铜的氧化物构成。如图11 所示，将原料充入容易加工的金属管中并拉伸，最后经过热处理形成超导线材。实际上，日本曾经做过搭载高温超导体的行驶实验。但在稳定性、可靠性以及成本方面都存在问题，远未达到正式投入超导磁悬浮列车的水平。因此，不得不继续使用需要液氦冷却的NbTi 合金超导磁体。

图11

使用液氦的原因
氦是元素名称，属于惰性气体。所有气体在常压下低温都会变成液体，温度持续下降，还会变为固体。但氦只有在高压下才能变成固体。其液化温度也低于其他元素。

液氦易汽化

液氦的汽化较为简单。利用液氦冷却超导磁体时，为了不使其汽化，需将液氦放置到图12 所示的低温恒温器中。

图12
这是金属制造的保温瓶，通常分为3 层。内部为液氦容器，四周覆有真空层，热量难以通过真空层；外侧为液氢层，温度为-196℃。保温瓶可使液氦保持低温，不发生汽化。

超导磁悬浮列车搭载冷凝机

超导磁悬浮列车必须搭载超导磁体，并且需持续冷却超导磁体。虽说有低温恒温器，但液氦会逐渐汽化。因此，需使用冷凝机使汽化的氦返回液态。

冷凝机冷凝机原理与冰箱相同

空气由氢、氧等气体组成，冷却空气时，沸点高的氧在-180℃时发生液化，成为液氧。进一步降低度，氢在-196℃发生液化，成为液氢。根据液化温度的不同可以分离混合气体。物质从液态变为气态时会吸收周围的热量，称为汽化吸热。冰箱就利用了这一原理，图13所示为冷凝机的原理。

图13

再度液化已汽化的氦

加压液化的液体从喷嘴喷出时，突然从加压状态变为常压，液体变为气体。液体汽化需要吸收周围的热量，产生冷却效果。但已变为气态的冷却剂无法进行冷却。所以，需利用气体压缩装置对其进行加压，实现再次液化。然后，液体再次从喷嘴喷出，利用汽化吸热进行冷却。通过反复操作可持续制冷。冰箱发出的声音，实际是压缩机压缩气体时发出的声音。液化氦气的冷凝机也是利用汽化吸热进行冷却。
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