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精讲展品——磁悬浮地球

相信参观过展厅二层的各位都对电产生了浓厚的兴趣。有展示动能转化为电能过程的展品、按动按钮后产生放电现象的展品，还有通电后观察磁场方向的展品，可以说是多种多样。可是在我眼里，这些展品都缺乏让人眼前一亮的科技魅力。现在就为大家介绍身后的磁悬浮地球，相信二层内没有比能悬空的展品更吸引人的了。

先观察下展品的结构，大家看到，这地球模型上不粘顶、下不挨地，悬浮于空中。不止如此，它还模仿地球自转，由西向东慢慢的扭动身体。作用在球体上的不是魔法，而是——磁悬浮技术。

展品原理：

磁悬浮的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对球体的悬浮。而展品则是顶端设有一个磁铁，圆环形塑胶框内部的顶端设置了金属线圈，当线圈通电后就会变成电磁铁，电磁铁与地球顶端的磁铁相互吸引，其吸力抵消了地球仪自身的重力，便漂浮了起来。

原理说起来是比较简单，但要做到展品所展示的效果却是困难的。

难点1：磁性的大小如何改变？

因为展品在开启后，硕大的球体会缓缓上升，到达指定位置以后悬停。这一举动可以理解为：既不改变悬浮物的质量和磁铁大小、线圈圈数等硬件设施、也不借助人力物力的支持，使球体上移。那么能做文章的就只有一点：电流输出的强度。为了直观的了解“输出电流可以改变电磁铁磁性大小”，我设计了以下实验：

准备一根铁钉、一段导线、3组同输出功率的电池或者2组输出功率差异较大的电池、一盒小铁钉、一个开关。实验想法是模仿下图，制作出电磁铁，之后通过加减电池数量来吸附铁钉或先用小功率电池组吸附铁钉之后再换大功率电池组吸附铁钉，这样实验数据对比才最为明显。最终可以得出结论——“输出电流的大小就能决定电磁铁磁力的大小”。那么难点1就好解决了，改变电流就可以了！对吗？

接下来就是难点2：如何达到展品需要的电流可控性？

电流大小是无法在硬件不改动的情况下改变的，所以需要的硬件设施起码要有检流计、可变电阻器、控制芯片来辅助，由检流计来测定电流的大小、控制芯片来判断加大减小电流的数值、最后再由可变电阻器来实施。以上就是解决难点2的基本对策。

相信各位听我详细解说这件展品之后肯定会想：“展品看起来并没多复杂，但实际上却是这么的讲究？”老实说，这不是我想听到的。本次的讲解只是想让大家知道，任何好的科学想法必须有技术的支持才能达到效果。

拓展与延伸：

其实现实生活中应用到磁悬浮技术的产物数不胜数，但如果要谈最具代表性的就属——磁悬浮列车。

磁悬浮列车是如何悬浮的呢？根据磁悬浮列车所采用的电磁铁种类可以分为常导吸引型和超导排斥型两大类。

常导磁吸式(EMS) 利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约10 mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨上。

超导磁斥式(EDS) 此种形式在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈(超导磁体)通电流，产生强磁场，地上线圈(铝环)与之相切与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时，车辆就浮起来。

因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动，来产生悬浮力将车体抬起来的。由于超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而且磁场强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起。当车辆向下位移时，超导磁体与悬浮线圈的间距减小电流增大， 使悬浮力增加，又使车辆自动恢复到原来的悬浮位置。这个间隙与速度的大小有关，一般到100km/h时车体才能悬浮。因此，必须在车辆上装设机械辅助支承装置，如辅助支持轮及相应的弹簧支承，以保证列车安全可靠地着地。控制系统应能实现起动和停车的精确控制。

那么磁悬浮列车是如何导向的呢？其实就是利用电磁力的作用进行导向。现按常导磁吸式和超导磁斥式两种情况简述如下。

常导磁吸式的导向系统与悬浮系统类似，是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。

超导磁斥式的导向系统可以采用以下 3 种方式构成: ①在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮， 使之与导向轨侧面相互作用(滚动摩擦)以产生复原力，这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡，从而使列车沿着导向轨中心线运行。②在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。 ③利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系铺设“8”字形的封闭线圈。当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，“8”字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置。

大到出行需要的列车，小到日常家用的磁悬浮音箱、鼠标。不得不说磁悬浮这项技术正在改变我们的生活。相信各位听完本次讲解，已经对磁悬浮有了新的认知，我们下次再见。