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王颢:科学小实验-帅帅分享之真实的磁悬浮

一、前言

来过上海的都知道这边有磁悬浮列车,从轨道2号线龙阳路到浦东国际机场,长度为30公里,坐磁悬浮大约只需要8分钟。

因为时速大约为430公里/小时,而普通的高铁也就300公里/小时,快了很多。磁悬浮列车和地面轨道没有接触,不管是否运行,都是悬浮1厘米左右。

上海磁悬浮列车

生活常识,物体之间没有接触就没有摩擦力,只有与空气之间的摩擦力,但是这个可以忽略不计。就像飞机一样,大气压力托着飞机悬浮,飞行速度可以很快,大约800-1000公里/小时。

其实磁悬浮列车原理很简单,地面有线圈,可以产生电磁铁,列车上也有电磁铁,让两者产生的磁性相同就行,就会出现同性相斥的现象。

至于如何前进呢?列车上有电路控制,让列车头跟靠前的地面电磁铁相吸,与靠后面的地面电磁铁相斥,这样就出现一个拉一个推的叠加,就会牵引列车前进啦!

中国的磁悬浮列车是德国的技术,所以是常导型,就是常温就行,不需要低温条件。我们都知道,日本也有磁悬浮列车,而且早就商业运行,但是他们是超导型,需要低温条件下让特殊材料产生抗磁性。太复杂了,先简单介绍下。

二、实验视频

三、实验材料

强力磁铁若干个

热解石墨(这都可以在X宝上买)

日本进口铅笔芯

四、实验步骤

将相邻的强力磁铁的N和S极相反,举个例子:第一排 N-S-N-S ,第二排 S-N-S-N,第三排 N-S-N-S,以此类推就行。

然后将热解石墨放在磁铁上就行,随意玩。可以在石墨下面放一张纸,也可以用吸管吹石墨的边缘,这样可以旋转很久。

也可以将铅笔芯放在磁铁上,同热解石墨类似。

五、实验原理

利用热解石墨的抗磁性,无论与磁体的 N 极还是 S 极相对,热解石墨都对其产生斥力。热解石墨是常温下抗磁性最强的物质,强到在永磁底座上产生的抗磁力就能够抵消自身的重力,形成稳定磁悬浮。抗磁性强度表:

抗磁性强度表

日本的铅笔芯

唯一比热解石墨抗磁性强的物质是超导,但是超导却需要在液氮营造的超低温环境下才有如此的性质,常温下远不如热解石墨,铋的抗磁性也不错(约为热解石墨的十分之四),但是由于铋的密度太大,产生的抗磁力远远小于自身的重力,无法形成悬浮。

热解石墨和石墨是一回事儿吗?

热解石墨虽然名字后面有石墨二字,成分也是碳,但它跟石墨是晶格排列完全不同的两种物质。如同金刚石和石墨的区别,两者成分完全相同,但是形状却不同。特殊的晶格排列造就了热解石墨的抗磁性是石墨的 25 倍。

实测同等条件下「热解石墨」能悬浮 1~2mm 的高度,而高纯石墨(日本进口)仅能悬浮 0.2mm 左右。国产高纯石墨则完全不能悬浮,反被吸住(推测可能是国产石墨普遍含有微量的铁)。

 

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