悬浮列车

超导体是磁悬浮的关键，从站台上的人到整列火车。剑桥大学超导工程教授大卫·卡德威尔研究高温超导体，他向金妮·史密斯解释了超导体到底是什么……

大卫:超导体是一种材料，当你把它冷却到一定温度以下时，它就会失去对电流流动的所有阻力。所以，你可以让很大的电流穿过你的超导体，或者你可以用这个电流产生很大的磁场。电流比任何传统材料都要大，它产生的磁场也比任何其他来源都要大。任何做过核磁共振扫描的人都知道，磁场是由超导线圈产生的。使用铜等传统金属是无法获得这些领域的。

Ginny -它们目前还用于哪些其他类型的应用程序?

大卫:超导体有三种不同的类型。你要么把它们做成细长的导体，这样你就可以把电流抽下去，然后控制它。因为这种材料是超导的，对于某种类型的电流，没有损耗。我们产生的大量电力实际上是由于加热电线而损失的——10%或11%。如果你能让你的电缆超导，那么我们就能消除所有的损耗。因此，能源效率有很大的提高。你可以把它们做成散装材料。有些人称之为冰球，你可以像使用永磁体一样使用这些材料。但是产生的电场要大得多。最后是薄膜形式。 That's a very small amount of material but with very good properties and you can use those in things like electronic applications, microwave filters, generators, basically, the electronic small scale industry, so different range of material forms, each of which has its own benefits for a specific type of application.

金妮:那么，你提到了这些看起来像冰球的大块。这就是你面前的东西吗?好像我看到了什么…

大卫:是的，当然。所以，我要做的是，我要演示一个大块材料的特性。所以发生的是，如果你有一个磁场，这里有一个。这是扬声器磁铁。我要把超导体朝向扬声器磁铁。我们有一个叫做法拉第定律的东西，它告诉你这会导致电流流动。电流会产生磁场，根据伦茨定律，磁场的方向与电流引起的变化方向相反，GCSE物理。所以，当我把超导体放下来，我们就有了电流。如果是铜，电流就会衰减。超导体没有电阻，所以当电流被感应时，它继续流动——它持续存在。 So, the field it produced persists and therefore, you've got a levitation force or repulsion force. So, if I just bring the superconductor down now on top of the magnet, you can see it's levitating away, right above the superconductor there. And it will stay there until it actually warms up through its transition temperature. This is about minus 196 degrees or when it gets above its transition temperatures, then it becomes non-superconducting and it'll lose its levitating properties.

金妮:所以，这两个磁体相互排斥的方式是一样的，如果我有一对条形磁体，试着把这两个北极连在一起，我就能感觉到一种力。这是同一个意思吗?

大卫-这是完全相同的力，除了如果你试着把两根磁铁放在一起，你不能把一个悬浮在另一个上面。一个会翻转过来，北方会吸引南方。所以，这里有一个内在的不稳定性。我们用超导体展示的一个特性是，你可以获得稳定的悬浮，这是永久磁铁无法实现的。

金妮-这很酷，但是让一个冰球大小的东西悬浮起来没什么用。我们能把它用在更实际的事情上吗?

大卫:对。所以基本上，我们感兴趣的性质等于磁场的平方。所以，如果你能把场加倍，你就会得到四倍的悬浮力，四倍的能量密度。既然我们有了稳定的悬浮，一个显而易见的事情就是更大规模的磁悬浮列车。这里也有很强的场梯度，你可以用它来区分磁性物质和非磁性物质。通过使用这些材料，电机和发电机，你可以得到更大的田地，然后你可以生产钢或铁。因此，你可以把钢铁扔掉。有些人说你可以……

金妮-露西听你这么说很生气。

大卫-…体积或重量的一半

金妮-所以，我们今天没有可以悬浮的火车，但我们有一个凯特。

大卫-是的。

金妮——我们能试着让她浮起来吗?

凯特:我面前有一个白色的大盒子，里面冒出很多烟，我可以看到一些把盒子固定在一起的螺丝钉周围形成了冰晶。看起来很吓人，大卫。你让我站在这个盒子里的东西完全是出于信仰。

大卫-我们对你很有信心。所以，我们已经有了这些大块超导体的阵列和它背后的平台，我们有一个永磁体的环。当永磁体遇到超导体时，它们就悬浮起来了。这和我们刚才做的正好相反。现在，如果我们试着让磁铁靠近超导体，就会产生额外的电流，而这将会被抵制。如果我们试着把平板从一边移动到另一边，我们就改变了超导体表面的场。它会试图抵抗。然而，这个板块是圆对称的。所以，如果我们旋转平板，超导体的中心和表面的场是恒定的。所以这个运动没有阻力。 So the bottom line is, the plate won't move up or down very much. It won't move from side to side very much, and if we try to spin it, there's no resistance.

凯特-所以，我不会在房间里飘来飘去，但我可能会因为你说的话而头晕。

大卫-我们可以把它做成直线马达，今晚不行，下次吧，到时候你就可以飘过房间了。

凯特:但愿如此。有没有可能我太重了不适合这个?有什么原因让我这么做而不是说，戴夫?无意冒犯，戴夫。

大卫，我很高兴你说的是大卫而不是我。像所有的力一样，如果你施加相等和相反的力，支持你的力，你就会克服它，物体就会坍塌。但我认为至少要用1000牛顿的力，所以100千克才能支撑。

凯特-好吧，基本上来说，我不应该太胖。

大卫-我觉得你应该没事。我赌你赢。

凯特-我得让戴夫拿着话筒，这样我就不会转圈了。好了，我马上转起来。所以，我确实答应过今晚让大家玩悬浮，但戴夫得拿着麦克风跟着我转一圈。

大卫-你得做点什么。

凯特-这不是一个很好的魔术。我又不是电视上的迪纳摩，也不是在离地几米的地方飘浮。我现在悬浮的高度是多少?

大卫-大概有一厘米吧。

凯特:大约一厘米，好吧。让我试一试。好吧，我真的，真的…所以基本上没有办法停止。这是我们通过实验确定的。

大卫:好吧，它最终会停止的。

凯特:大概要花多长时间?

大卫-我们可以等天气暖和了再说。

凯特-我们可以等天气暖和了再说。那要花多长时间?

大卫:大约40分钟。

凯特- 40分钟的动感单车，我不确定我能坚持那么久。我可能得往相反的方向推。我现在真的头晕。我们得再等一会儿。这太棒了，但我们说过火车可能有用。火车是使用完全相同的系统，还是稍微适应了人类?

大卫:原理是一样的。一列火车可能会使用四个这样的装置和一条圆形轨道上的线性铁路。所以，你得到的直线运动和你得到的圆周运动是一样的。

凯特:我的脚现在有点冷，因为我脚下有很多液氮。你说过它加热后就不工作了。那么，为了让磁悬浮列车运行，我们是否必须永久地向铁轨中倒入液氮?

大卫:嗯，你可以用电来制造东西，所以你需要的是电源而不是一大桶液态氮。所以，还有其他的方法来冷却它，但它们都没有这种方法那么壮观。

凯特-没那么壮观。我不知道我怎么才能摆脱这一切。我可能会被困在这里看完剩下的节目。

金妮——当凯特试图爬下来时，大家为她鼓掌。所以，我们刚刚说过你需要一大桶液氮来冷却它。我想这可能是现在阻碍我们在更多领域使用超导体的最大限制之一。这是你正在研究的吗?

我想我被问到最多的问题是，这些材料在什么温度下会超导?我们会得到室温下的超导性吗?有两种解决方案。一个是，如果你是物理学家，它很重要，因为它告诉你配对机制，是什么导致了超导性。如果你是一名工程师，你就不会真的为此烦恼。你关心的是它能产生多少电流，它能产生多少燃料。所以，我们使用我们拥有的最好的材料。它恰好是我们需要冷却到这么低温度的。但在实际应用中，就像我说的，你不需要液冷剂。你会用一个高科技冰箱。 I mean, you don't pour a cryogen in the back of your fridge to keep your milk cool. Yet, you can maintain a freezer at minus 25. So, you can use a glorified fridge. It's called a Stirling cycle cooler. You can actually achieve 20 Kelvin, so well below this temperature. But it's not something you'd find in a vacuum cleaner for example. But it might be something you'd find in an industrial plant that involves moving heavy masses across a workshop floor. Boeing may levitate their aircraft on their production line using this technology one day. We don't know.

金妮:现在，我们马上要回答观众的一些问题，所以请大家认真思考。凯特，你有社交媒体上的问题吗?

凯特-杰拉尔德(麦克马伦)在Facebook上说，我们刚刚提到了磁悬浮和类似的东西，他说，“悬浮火车发生了什么?”他认为他们已经不在了。

大卫:不，有。日本有一列使用低温超导体的火车。不是液氮温度，而是液氦温度，超导体。在上海从浦东机场到上海市中心有一个。德国有一对夫妇。所以，它们就在附近。问题是，你可以想象，铁轨很贵。所以，你看到的是，至少比普通火车贵一个数量级，但你可以以每小时500公里的速度行驶。

金妮:谁对超导体和高速旅行有问题?前面有一个。

安娜斯塔西娅-你好。我是阿纳斯塔西娅。我来自俄罗斯。我想知道他们是怎么弄坏那些火车的。

大卫-实际上，火车上有一架喷气式飞机。超导体使你悬浮。如果你有一个巧妙的安排，你可以得到一点推进力。但本质上，超导体只是一个无摩擦的平台。这是低温飞行。那么，像飞机一样，飞机是如何前进的呢?推力是由喷气发动机提供的所以你需要一些机载的推进装置。火车后座上的一个大风扇可能就能做到。

萨姆-我的名字是萨姆。我12岁，来自圣艾夫斯。你说如果温度升高，它就会停止旋转。如果你有一列火车直行，如果它热身了，它会在中途突然停下来吗?

大卫-我们不会允许这种事发生的，对吧?这将是一个大问题。所以，你要做的是你有一个故障安全机制。所以，你不会仅仅依靠悬浮。你会有一个轴距系统。所以，如果它变暖了，而不是像你们在演示中看到的那样迅速变暖。慢慢地暖和起来。当它慢慢升温时，火车会越来越低，越来越低，然后它会降落在轨道上，然后继续前进。所以，它会在轮子里运行，而不是磁悬浮。在那个时候，你会让火车慢下来。 It would be a conventional system.

加雷思-我是加雷思。我12岁，来自亨廷顿。你觉得我们还需要多少年才能真正拥有悬浮火车或其他交通工具?

大卫:15年来我们一直在说5年，但我认为现实是，我们离应用程序越来越近了。我不认为他们会从悬浮火车开始。我认为他们会从更小的设备开始，这些设备可以做非常独特、非常小众的事情，这是我们用其他任何设备都无法做到的。我认为悬浮火车可能是我们最终的目标，但首先，我认为我们需要做一些我们以前没有想过的事情。我们现在正在开发一些设备，这些设备的周转时间大约是2到3年。所以，我真的相信，在那个时间尺度上，我们将得到这些材料的商业应用。我怀疑这是不是一辆悬浮火车，但在未来的某个时候，几乎可以肯定，悬浮火车也会出现。

丹尼-嗨。我叫丹尼，今年12岁，来自叙利亚，后来搬到了英国。我想问的是，液氮有多冷，他们打算用什么材料来悬浮火车?

大卫-好的，液氮的温度是77开尔文。如果你看一下开尔文温标，绝对零度是零下263摄氏度，所以很冷。所以77开尔文是零下196摄氏度，我猜，如果你去芬兰的最北部，你就接近室温超导了因为那里很冷，但还没那么冷。所以，它是零下196摄氏度，这是我们操作这些材料的温度，或者更低。温度越低，性能越好。你的第二个问题是，什么材料。嗯，这些材料看起来是黑色的。就性质而言，它们本质上是陶瓷，它们是各种元素的复杂混合物。这个是钇，钡，铜，还有一点氧。氧化钇钡铜。 That's the basic material. You may change the yttrium, but you will have the barium, the copper and the oxygen there. So, yttrium barium copper oxide, we make them in a furnace at about a thousand degrees C.

金妮——这太极端了。我想我们还有时间回答更多问题。这位穿白衬衫的先生有一个。

詹姆斯-你好。詹姆斯，28岁，比其他人都大一点。

大卫-你看起来不像。

詹姆斯-我来自剑桥。我想你几乎解决了你自己的问题，那就是如何让火车悬浮起来，因为那很贵，不过在乡村的长轨道上，你可以让火车悬浮起来，然后就像你说的，当你进入火车站或城市附近时，你只要降低温度，然后火车就可以在轨道上运行了。

大卫-你可以的。问题是，你有一个热质量和传输，你必须有即时的变化。所以，你不能等3分钟才让某样东西热起来。我认为解决这个问题的方法不是让它升温，而是转移这个领域。所以，你对场做一些别的事情或者在这个特殊的情况下，如果你以高速移动，你就会有一个高的场变化率。这引起了另一个场，因此，你得到了悬浮。所以，当你减速时，它会自动着陆。这是最好的方法，但成本仍然在轨道上，而且非常昂贵。如果有人曾经乘坐过上海磁悬浮列车，只要看看轨道，就会发现它充满了日元。你可以看到，而且非常昂贵。