9.3 《电生磁》参考资料（人教版八年级下）初中物理

.::;电生磁参考资料一、奥斯特丹麦物理学家奥斯特(HansChristianOersted，1777—851)1777年8月14日生于丹麦朗格兰德岛一个药剂师家庭．12岁开场协助父亲在药房里干活，同时坚持学习化学．由于刻苦攻读，17岁以优良的成果考取了哥本哈根大学的免费生．他一边当家庭老师，一边在学校学习药物学、天文、数学、物理、化学等．1806年任哥本哈根大学物理学教授，1821年被选为英国皇家学会会员，1823年被选为法国科学院院士，后来任丹麦皇家科学协会会长．奥斯特早在读大学时就深受康德哲学思想的影响，认为各种自然力都来自同一根源，可以互相转化．富兰克林发现的莱顿瓶放电使钢针磁化的现象，对奥斯特启发很大，他认识到电向磁的转化不是不可能的，关键是要找出转化的详细条件．他在1812年出版的?关于化学力和电力的统一性的研究?中，根据电流流经直径较小的导线会发热，推测假如通电导线的直径进一步缩小，那么导线就会发光；使通电导线的直径变得更小，小到一定水平时，电流就会产生磁效应．他指出：“我们应该检验电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响．〞寻找这两大自然力之间联络的思想，经常盘绕在他的头脑中．1819年冬，奥斯特在哥本哈根开设了一个讲座，讲授电磁学方面的课题．在备课中，奥斯特分析了前人在电流方向上寻找磁效应都未胜利的事实，想到磁效应可能像电流通过导线产生热和光那样是向四周散射的，即是一种横向力，而不是纵向的．1820年春，奥斯特布置了一个这方面的实验，他采用讲演时常用的电池槽，让电流通过一根很细的铂丝，把一个带玻璃罩的指南针放在铂丝下面，实验没有获得明显的效果．1820年4月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然呈现了一个想法，讲课快完毕时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看．当他接通电源时，他发现小磁针微微动了一下．这一现象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进展了3个月的实验研究，终于在1820年7月21日发表了题为?关于磁针上的电流碰撞的实验?的论文．这篇仅用了4页纸的论文，是一篇极其简洁的实验报告．奥斯特在报告中讲述了他的实验安装和60多个实验的结果，从实验总结出：电流的作用仅存在于载流导线的四周；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的间隔和电流的强弱；铜和其他一些资料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等．奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的严重发现．它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意．在这一严重发现之后，一系列的新发现接连呈现．两个月后安培发现了电流间的互相作用，阿拉果制成了第一个电磁铁，施魏格发明电流计等．安培曾写道：“奥斯特先生……已经永远把他的名字和一个新纪元联络在一起了．〞奥斯特的发现揭开了物理学史上的一个新纪元．奥斯特不只是一位著名的物理学家，还是一位优秀的老师．他的讲课有扮演，有分析．他非常重视实验，他说过“我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，因为归根到底，所有的科学进展都是从实验开场的．〞二、对磁悬浮，你理解多少呢？高速低耗悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统.它的时速可到达500公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具，有速度快、爬坡才干强、能耗低的优点，每个坐位的能耗仅为飞机的三分之一、汽车的70%.它运行时噪音小、平安温馨、不燃油，污染少.

本世纪五、六十年代，铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业.因为面对航空、高速公路等运输对手的强劲挑战，它蜗牛般的爬行速度，已越来越不适应现代工业社会物流和人流的快速流动需要了.但七十年代以来，特别是近几年来，随着铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路重新赢回了在各国交通运输格局中举足轻重的地位.法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由200公里向300公里开展.1995年举行的国际铁路会议预测，到20世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将到达360公里.要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了.在这种情况下，只能使用一种超凡规的列车－－磁悬浮列车.

普通列车行驶时，车轮与钢轨是紧紧贴在一起的，当列车高速行驶时，车轮与钢轨的阻力就大大增加.据科学家计算，依*动力牵引，车轮与钢轨接触的普通轮轨列车，最大时速为380公里左右，假如考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不可能到达最大时速.所以，欧洲、日本如今正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力.要进一步进步速度，必需转向磁悬浮技术.

我们晓得：把两块磁铁一样的一极*近，它们就互相排挤，反之，把相反的一极*近，它们就互相吸引.托起磁悬浮列车的，那似乎神秘的悬浮之力，其实就是这两种吸引力与排挤力.这种列车悬浮在轨道上方，和轨道之间没有直接接触，运行阻力大大减小，因而磁悬浮列车的最大时速可以到达500公里以上.

两种技术

根据吸引力和排挤力的根本原理，国际上磁悬浮列车有两个开展方向.一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS

系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的根本原理，把列车吸引上来，悬空运行；另一个是以日本为代表的排挤式悬浮系统－－EDS

系统，用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排挤力，使列车悬空运行.这两个国家都坚决地认为自己国家的系统是最好的，都在把各自的技术推向实用化阶段.估计到下一个世纪，这两种技术道路将仍然并存.

北京大学张承福教授认为，比较而言，日本的排挤式系统比较有利.它在物理上的原理比较简单，悬浮稳定，车轮与钢轨之间的间隔坚持在10厘米左右，对钢轨的要求不那么严格；由于对控制系统的要求较低，所以能耗也少.而吸引式的悬浮系统只能把车轮与钢轨坚持在3-4厘米左右，这就需要有一个良好的控制系统，能耗自然就多；而且它对钢轨的要求也很高，遇上轨道上有冰雪，或上下不平的路段就影响运行.

开展历程

磁悬浮列车今天看似乎还是一个新颖事物，其实它的理论准备有很长的历史.1929年德国人首先提出了磁悬浮理论，在相当长的时期内，他们就不时方案搞一条磁悬浮铁路.日自己1972年开场尝试EDS

系统，但这个原理早在1966年就由美国人提出来了.这套技术的理论背景与当时的超导技术开展严密相关.因为六、七十年代，是世界超导应用研究的鼎盛时期，利用超导原理，处理一些应用难题是那时的热点.

日本磁悬浮列车山梨实验线曾在1997年12月发明了不载客时速550公里的世纪记录.而在1999年4月14日，山梨实验线更创世界铁路行车时速552公里的世界新纪录.这次的实验列车由5节车厢组成，乘客13人，总负荷为10吨重，两次行驶实验都跑出了每小时552公里的速度，并准备今后将进展耐久性实验和时速在500公里情况下的错车实验.

中国于1876年修建了第一条铁路，日本于1872年修建第一条铁路，两国只相差4年.但日本修建第一条高速铁路的时间是1964年；1982年，日本就开通了第一条超导磁悬浮实验线，而20世纪完毕时，我国还只要一条时速才170公里的广深准高速铁路.

但中国的磁悬浮技术开展很快.目前，国内国防科技大学和西南交通大学都在进展磁悬浮列车的研制工作，都已经有了比较成熟的技术.2001年，国防科大磁悬浮实验线路建成，西南交大的实验线路也正在建立.磁悬浮在中国的市场运做进展也很顺利，德国柏林到汉堡之间的磁悬浮铁路建立方案搁浅以后，转而与中国达成协议，在上海修建一条可能将是世界上首条进展商业运行的磁悬浮铁路.北京，四川等地也正准备修建类似铁路.

市场定位

现有的运输网络是陆海空多种运输手段结合的综合系统，各种交通工具之间，既有明确分工，又有剧烈竞争，而且飞机和汽车的运输速度也在日新月异地开展，那么，假如说要开展磁悬浮列车的话，它的市场应在哪里定位呢？

北京大学的张承福教授认为，向空中开展有一定的局限性，比方周期性的运输或长间隔的运输，用飞机可能比较适宜，但假如几百公里的间隔也用飞机就不经济了.因为机场离城市一般比较远，飞机起降需要不少时间，因而，从效率看，飞机虽然比其它的运输工具快，但除开起降时间，在几百公里的范围内，它与高速列车，特别是将来的磁悬浮列车相比并没有什么优势.而且飞机的能耗比列车要大得多.而陆地高速运输----高速铁路，也有其局限性－－速度极限、噪音污染，摩擦损耗等等.因而，各国过去准备搞普通高速列车的，如今都倾向于搞磁悬浮列车.

磁悬浮列车既然如此先进，如此快速，我国能不能很快就开展磁悬浮铁路，使中国的大地风驰电掣地飞驰着磁悬浮列车呢？

中国科学院邱励俭院士认为，好的东西不一定决定你马上不够上.磁悬浮列车花费太大，1公里高速公路投资需要2亿人民币，1公里磁悬浮铁路投资翻两番都不止.假如要修一条从北京到天津的高速公路，投资300-400亿人民币足够，而修一条磁悬浮铁路，没有1000亿人民币是不可能的.所以他认为应该要慎重.邱院士的意见，代表了很大一局部人的意见，因而中国对开展磁悬浮列车采取的是循序渐进的战略.三、高速磁悬浮列车的诱惑

--在1500公里旅行间隔内，坐高速磁悬浮列车好还是乘飞机好？

--中国将建造全长8000公里的高速客运专用网，高速磁悬浮列车技术能入选吗？

--国际上磁悬浮列车技术已近成熟，中国如何发挥後发优势，实现技术跨越？

整个人类客运交通开展的历史是一个速度不时进步的历史。每一种新型交通工具的呈现和严重技术的打破都随同速度的显著进步。二十世纪在这方面尤为突出，飞机、汽车与火车均在不时刷新其速度的纪录，高速磁悬浮列车开展尤为令人瞩目。

传统轮轨铁路的运营速度经过100多年的开展，到达了300-350公里／小时，其进一步进步受到了用轮轨支承和受电弓供电的限制。高速磁悬浮列车用电磁力将列车浮起而取消轮轨，采用长定子同步直流电机将电供至地面线圈，驱动列车高速行驶，从而取消了受电弓，实现了与地面没有接触、不带燃料的地面飞行，克制了传统轮轨铁路的主要困难。从六十年代起，日本、德国作为强大的国家研究开展方案，投入了数十亿美圆的资金，经过持续努力，使整个技术已经成熟到可以建造实用运营，最高试验运营速度已达550公里／小时。从而，人类地面客运的速度可望在21世纪前、中期到达500公里／小时的新水平，使高速地面交通的开展继续长足前进。

磁悬浮列车的七大优势

作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术确实有其他地面交通技术无法比较的优势。

首先，它克制了传统轮轨铁路进步速度的主要障碍，开展前景广阔。

第一条轮轨铁路出如今1825年，经过140年努力，其运营速度才打破200公里／小时，由200公里／小时到300公里／小时又花了近30年，虽然技术还在完善与开展，继续进步速度的余地已不大，而困难很大。还应注意到，轮轨铁路进步速度的代价是很高的，300公里／小时高速铁路的造价比200公里／小时的准高速铁路高近两倍，比120公里／小时的普通铁路高三至八倍，继续进步速度，其造价还将急剧上升。世界第一个磁悬浮列车小型模型是1969年在德国呈现的，日本是1972年造出的。可仅仅十年後的1979年，磁悬浮列车技术就发明了517公里／小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入500公里／小时实用运营的建造阶段。

第二，磁悬浮列车是当今唯一能到达运营速度500公里／小时的地面客运交通工具，具有不可取代的优越性。

对於客运来说，进步速度的主要目的在於缩短乘客的旅行时间，因而，运行速度的要求与旅行间隔的长短严密相关。各种交通工具根据其自身速度、平安、温馨与经济的特点，分别在不同旅行间隔中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行间隔的分析说明，按总旅行时间考虑，300公里／小时的高速轮轨与飞机相比在旅行间隔小於700公里时才优越。而500公里／小时的高速磁悬浮，那么比飞机优越的旅行间隔将达1500公里以上。

上述观点已为近年来国际高速轮轨交通的理论所证实。国际上250-300公里／小时的高速轮轨铁路迄今共有13条运营，总长4369公里。除日本东京--博多全长1069公里外，其它均小於600公里。日本各种交通工具市场占有率与旅行间隔间的关系说明，250公里／小时的新干高速轮轨铁路，随旅行间隔的增加，其市场占有率迅速上升，在约800公里时到达约70%的峰值。间隔继续增大，由於旅客更多项选择择了飞机，占有率急剧下降，1200公里时降到约30%。

第三，能耗低。它在500公里／小时速度下每座位·公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车小30%。在300公里／小时的一样速度下，德国TR磁浮列车每座位/公里能耗比ICE1在300公里／小时速度时相当。

第四，噪音小。实测说明，列车通过时25米间隔处的噪音，在300公里／小时速度时，德国TR列车为79分贝，ICE1列车为91分贝。

启动停车快，爬坡才干强，选择自在度较大是高速磁悬浮的第五大优点。德国TR07磁浮列车启动50秒後(行程2公里)，时速可达200公里／小时，100秒後(4.8公里)达300公里／小时，150秒後(9.6公里)达400公里／小时；ICE轮轨高速在150秒後(行程5公里)达200公里／小时。已经证明，磁浮列车爬坡才干可达100%，而轮轨高速为40%，在同等速度下，磁悬浮列车转弯半径小，从而其选自在度较大，这意味路可较短、少占地面、耕地，降低总投资。

磁悬浮列车与轮轨列车相比还有平安、温馨，维修少的优势。磁浮列车在构造上保证不易脱轨，推进方式保证不易撞车。磁悬浮列车没有车轮和铁轨的接触以及与受电弓的机械接触，震动小，温馨性好，其工作属於无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力劳动。

第七大优点是，磁悬浮列车采用电力驱动，不需燃油，这使它的开展不受能源构造，特别是燃油供给的限制；同时，无有害气体排放，环境污染小。

当然，磁悬浮列车技术还处在开展中，与国际上已建成总长4369公里、运营已有三十多年经历的高速轮轨铁路相比，高速磁悬浮列车在技术成熟性和建立运营经历上还有明显差距。比方，作为一种新型交通工具，高速磁悬浮列车与轮轨铁路只能像汽车、飞机、轮船一样通过换乘来兼容；同时，高速磁悬浮的道岔要挪动地面圈系统，其成网要比轮轨铁路困难一些；在运量方面，从目前日本高速磁悬浮的运量目的看，单向10000人／小时，似乎还不大；等等。这是任何一种新技术与传统技术比较时通常遇到的情况。至於投资，有人认为它需要的投资较大，也是与高速轮轨铁路相比的一个弱势。实际上，高速磁悬浮的投资确实比高速轮轨铁路高1.2-1.5倍，但前者的速度却比後者要高出50-70%，这样比较起来，其实是一个优点。随产业开展与经历的积累，其降低投资的可能性与幅度可能远大於高速轮轨。

中国具备开展磁悬浮列车的需求

我国第一条铁路建成在1876年，经过七十多年的开展，全国解放时总长2.18万公里，承当全国65%的客运量和约85%的旅客周转量，是主要的客运交通工具。建国以来，我国铁路得到了迅速开展，营业里程迅速增长，到达当前的6.5万公里，直到七十年代中後期，仍然坚持全国客运中的骨干地位。八十年代以来，由於公路与民航的迅速开展，以及经济开展对客运速度进步的需求日益增大，导致了铁路在客运中的地位明显下降，1997年铁路在全国客运量中的份额降至7%，在旅客周转量中份额降至35%。人们已经认识到，必需鼎力致力於客运提速，才干坚持和开展铁路作为重要客运工具的地位。近年来，在既有提速和建造高速轮轨铁路的准备方面，获得了可喜的成果。

我国是否需要高速磁悬浮列车与如何预测我国铁路网的需求和开展严密相关。最近铁道部经济规划研究院路网研究所李宏等同志发表了21世纪上半叶我国铁路网需求与总规模的预测研究结果，并提出了开展设想。依照他们的研究意见，我国铁路在21世纪上半叶仍属建立高潮时期，约至2050年全国人口约14.7亿，城镇人口约占75%；铁路年人均乘车率将由目前的0.8次增至约3次；铁路旅客平均行程将由目前的约360公里增至460-500公里，铁路旅客周转量将达2-2.2万亿人公里。从上述预测需求动身，他们建议：我国铁路网总规模将由目前的6.5万公里增至12万公里。

新的铁路网将由三局部组成，即：约0.8万公里的高速客运专网；约2-2.2万公里的客货混跑快速客运网和约9万公里的普通铁路网。显然，这意味我国已具备了开展磁悬浮列车的需求。当前问题的关键在於，21世纪上半叶我国将建造的、目前为零、全长近8000公里的高速客运专网应该采用500公里／小时的高速磁悬浮铁路还是300公里／小时的高速轮轨铁路，这是决定我国是否需要高速磁悬浮铁路的根底。

合适中国高速客运国情的选择

关於高速磁悬浮列车是开展我国高速客运的最正确选择这个观点，至少有三个重要的论据：

其一，我国幅员辽阔，人口众多。目前考虑的主要客运专(京沪1320公里，京广港澳2550公里，哈大940公里，徐州宝1030公里，浙赣940公里，津渖730公里，沪杭194公里)大多在100公里以上。500公里／小时的磁悬浮列车比300公里／小时的高速