IT
USA
DE
FR
ES
PL
IT
EN
USA
DE
ZH
ES
FR
PT
JP
RU
AR
KR
RO
VN
HE
TR
CS
HR
DA
FI
EL
NL
SR
SK
SV
HU
NO
HI
ID
FA
Magnetycznie lewitujące pociągi są dziś powszechne. Jednak pociąg MagLev opracowany przez Central Japan Railway Company jest wyjątkowy i przewyższa inne pociągi. Jeżdżąc z prędkością przekraczającą 600 km/h, uzyskał status „najszybszego pociągu”. Ten pociąg wykorzystuje nadprzewodzące magnesy, dlatego nosi nazwę SCMagLev. Gdy naładowane prądem wzbudzającym, nadprzewodzące magnesy wytwarzają krążący prąd stały i silne pole magnetyczne nieustannie, bez strat. Poznajmy bliżej tę przetestowaną technologię, która do 2027 roku ma wyprzedzić inne technologie lewitacji magnetycznej. Ta sama technologia ma połączyć Nowy Jork z Waszyngtonem w zaledwie godzinę już do roku 2030.
Aby pociąg magnetycznie lewitujący działał poprawnie, trzeba osiągnąć trzy cele: napędzać, podnosić i prowadzić. Zanim jednak przejdziemy do szczegółów dotyczących tego, jak SCMagLev realizuje te cele, przyjrzyjmy się sercu tego pociągu – nadprzewodzącym magnesom.
Levitujące pociągi wymagają niezwykle potężnych elektromagnesów. Im silniejsze magnesy, tym większa siła nośna i napędowa, co przekłada się na wyższą prędkość pociągu. Zwykły elektromagnes nie może zwiększyć prądu powyżej pewnego poziomu z powodu przegrzewania. W elektromagnesach nadprzewodzących temperatura przewodnika obniża się poniżej krytycznej wartości. Wtedy materiał nagle przewodzi ogromny prąd bez żadnego oporu. To dokładnie to, czego potrzebujemy. Co ciekawe, wystarczy jednorazowo naładować nadprzewodzącą cewkę prądem wzbudzającym, aby zwarte cewki generowały krążący prąd stały wiecznie, bez strat energii. Prąd płynący przez nadprzewodzące cewki osiąga 700 kiloamperów, czyli niemal 10 000 razy więcej niż w standardowych domowych przewodach miedzianych! Nadprzewodzące elektromagnesy są oczywiście najpotężniejszymi i najbardziej wydajnymi elektromagnesami. Wyzwanie stanowi utrzymanie cewek w stanie nadprzewodzenia. W tym celu używa się zamontowanego na pokładzie systemu chłodzenia ciekłym helem. Nadprzewodnik w pociągu SCMagLev to stop niobu z tytanem, o krytycznej temperaturze 9,2 Kelvina. Aby utrzymać temperaturę stopu poniżej tej wartości, stosuje się ciekły hel o temperaturze 4,5 Kelvina. Po przepłynięciu wokół przewodnika hel odparowuje. Aby przywrócić go do pierwotnego stanu, zastosowano kompresor helu i agregat chłodniczy. Jednostka chłodnicza działa w oparciu o cykl chłodniczy Gifforda–McMahona.
Jednak zadania inżynieryjne działu kriogenicznego nie zostały jeszcze zakończone. Nadprzewodnik może pochłaniać ciepło z otoczenia w postaci promieniowania. Aby temu zapobiec, wokół niego dodano osłonę przeciw promieniowaniu. Jednak podczas pracy pociągu w osłonie mogą powstawać prądy wirowe i nagrzewanie. Aby temu zaradzić, osłona również wymaga chłodzenia – stosuje się w tym celu ciekły azot. Aby ograniczyć wymianę ciepła konwekcyjnego, w osłonie zachowuje się próżnię. Cztery takie nadprzewodniki o odwrotnych biegunowościach są zgrupowane razem. Chociaż elektromagnesy SCMagLev działają bez zewnętrznego zasilania, sekcja kriogeniczna potrzebuje znacznej energii. Takie jednostki rozmieszczono wzdłuż obu stron składu pociągu.
Pierwszym zadaniem, jak wspomniano, jest napęd. Napędzanie pociągu do przodu jest prostym zadaniem. W tym celu stosuje się serie zwykłych elektromagnesów – tzw. cewek napędowych. Cewki napędowe zasilane są w sposób przemienny, jak pokazano, i umieszczone w torowisku. Następnie trzeba określić siłę, którą te cewki wywierają na nadprzewodzące magnesy pociągu. Aby określić kierunek siły, wystarczy wziąć pod uwagę najbliższe bieguny magnesów. Analizując siły działające na nadprzewodzące cewki, rezultat wszystkich sił daje wypadkową skierowaną do przodu, więc pociąg rusza. Gdy pociąg osiągnie kolejną pozycję docelową, zmieniamy biegunowość elektromagnesów, aby wypadkowa siła znowu była skierowana do przodu. Kontrolując częstotliwość przełączeń, możemy sterować prędkością pociągu.
Przejdźmy teraz do najciekawszego aspektu technologii: lewitacji pociągu SCMagLev.
Możesz być zaskoczony, że lewitacja osiągana jest za pomocą prostych cewek w kształcie ósemek, które nie są w ogóle zasilane. W torowisku znajduje się wiele takich cewek ósemkowych. Aby zrozumieć zasadę lewitacji, najpierw przyjrzyjmy się parze nadprzewodzących magnesów. Wypadkowe pole magnetyczne tej pary przypomina długi magnes trwały. Dla uproszczenia analizy zastąpmy tę parę dużym prętem magnetycznym.
Jeśli pręt magnesu przesuwa się równolegle do tych cewek ósemkowych, co się stanie?
Aby pociąg magnetycznie lewitujący działał poprawnie, trzeba osiągnąć trzy cele: napędzać, podnosić i prowadzić. Zanim jednak przejdziemy do szczegółów dotyczących tego, jak SCMagLev realizuje te cele, przyjrzyjmy się sercu tego pociągu – nadprzewodzącym magnesom.
Levitujące pociągi wymagają niezwykle potężnych elektromagnesów. Im silniejsze magnesy, tym większa siła nośna i napędowa, co przekłada się na wyższą prędkość pociągu. Zwykły elektromagnes nie może zwiększyć prądu powyżej pewnego poziomu z powodu przegrzewania. W elektromagnesach nadprzewodzących temperatura przewodnika obniża się poniżej krytycznej wartości. Wtedy materiał nagle przewodzi ogromny prąd bez żadnego oporu. To dokładnie to, czego potrzebujemy. Co ciekawe, wystarczy jednorazowo naładować nadprzewodzącą cewkę prądem wzbudzającym, aby zwarte cewki generowały krążący prąd stały wiecznie, bez strat energii. Prąd płynący przez nadprzewodzące cewki osiąga 700 kiloamperów, czyli niemal 10 000 razy więcej niż w standardowych domowych przewodach miedzianych! Nadprzewodzące elektromagnesy są oczywiście najpotężniejszymi i najbardziej wydajnymi elektromagnesami. Wyzwanie stanowi utrzymanie cewek w stanie nadprzewodzenia. W tym celu używa się zamontowanego na pokładzie systemu chłodzenia ciekłym helem. Nadprzewodnik w pociągu SCMagLev to stop niobu z tytanem, o krytycznej temperaturze 9,2 Kelvina. Aby utrzymać temperaturę stopu poniżej tej wartości, stosuje się ciekły hel o temperaturze 4,5 Kelvina. Po przepłynięciu wokół przewodnika hel odparowuje. Aby przywrócić go do pierwotnego stanu, zastosowano kompresor helu i agregat chłodniczy. Jednostka chłodnicza działa w oparciu o cykl chłodniczy Gifforda–McMahona.
Jednak zadania inżynieryjne działu kriogenicznego nie zostały jeszcze zakończone. Nadprzewodnik może pochłaniać ciepło z otoczenia w postaci promieniowania. Aby temu zapobiec, wokół niego dodano osłonę przeciw promieniowaniu. Jednak podczas pracy pociągu w osłonie mogą powstawać prądy wirowe i nagrzewanie. Aby temu zaradzić, osłona również wymaga chłodzenia – stosuje się w tym celu ciekły azot. Aby ograniczyć wymianę ciepła konwekcyjnego, w osłonie zachowuje się próżnię. Cztery takie nadprzewodniki o odwrotnych biegunowościach są zgrupowane razem. Chociaż elektromagnesy SCMagLev działają bez zewnętrznego zasilania, sekcja kriogeniczna potrzebuje znacznej energii. Takie jednostki rozmieszczono wzdłuż obu stron składu pociągu.
Pierwszym zadaniem, jak wspomniano, jest napęd. Napędzanie pociągu do przodu jest prostym zadaniem. W tym celu stosuje się serie zwykłych elektromagnesów – tzw. cewek napędowych. Cewki napędowe zasilane są w sposób przemienny, jak pokazano, i umieszczone w torowisku. Następnie trzeba określić siłę, którą te cewki wywierają na nadprzewodzące magnesy pociągu. Aby określić kierunek siły, wystarczy wziąć pod uwagę najbliższe bieguny magnesów. Analizując siły działające na nadprzewodzące cewki, rezultat wszystkich sił daje wypadkową skierowaną do przodu, więc pociąg rusza. Gdy pociąg osiągnie kolejną pozycję docelową, zmieniamy biegunowość elektromagnesów, aby wypadkowa siła znowu była skierowana do przodu. Kontrolując częstotliwość przełączeń, możemy sterować prędkością pociągu.
Przejdźmy teraz do najciekawszego aspektu technologii: lewitacji pociągu SCMagLev.
Możesz być zaskoczony, że lewitacja osiągana jest za pomocą prostych cewek w kształcie ósemek, które nie są w ogóle zasilane. W torowisku znajduje się wiele takich cewek ósemkowych. Aby zrozumieć zasadę lewitacji, najpierw przyjrzyjmy się parze nadprzewodzących magnesów. Wypadkowe pole magnetyczne tej pary przypomina długi magnes trwały. Dla uproszczenia analizy zastąpmy tę parę dużym prętem magnetycznym.
Jeśli pręt magnesu przesuwa się równolegle do tych cewek ósemkowych, co się stanie?
Zmienne strumienie magnetyczne indukują siły elektromotoryczne w obu pętlach zgodnie z prawem Faradaya. Czy te siły EMF są w tym samym kierunku? Trzeba zauważyć, że cewka jest skręcona – rozwijając ją, zrozumiemy właściwy kierunek. Widać, że indukowane EMF są skierowane przeciwnie, co oznacza, że wypadkowa siła elektromotoryczna w tej cewce wynosi zero i nie płynie żaden prąd. Krótko mówiąc – pręt przesuwający się przez środek pętli nie wywołuje żadnych skutków.
Teraz rozważmy ten sam przypadek, ale magnes przemieszcza się lekko przesunięty względem środka pętli, jak pokazano. W tej sytuacji dolna pętla styka się z silniejszym strumieniem magnetycznym, więc EMF indukowane w dolnej pętli jest większe niż w górnej.
Ta różnica powoduje przepływ prądu w pętli. Prąd ten tworzy biegun południowy w górnej pętli i północny w dolnej. Analizując siły między biegunami, widzimy, że powstaje wypadkowa siła skierowana ku górze. Jeśli ta siła przewyższy siłę grawitacji, magnes unosi się. Tak, ruch nadprzewodzącego magnesu równolegle i przesunięty względem cewek ósemkowych powoduje lewitację. Gdy magnes unosi się, różnica EMF i prądu maleje, co zmniejsza siłę. Ostatecznie, gdy siła pionowa zrówna się z grawitacją, magnes ustabilizuje się – pociąg osiąga lewitację. Japońscy inżynierowie osiągnęli lewitację na wysokość 3,9 cala dzięki tej technologii.
Jasne jest, że im większa prędkość pociągu, tym większa siła lewitacji, co oznacza, że stojący w miejscu pociąg nie jest w stanie lewitować. Dlatego SCMagLev używa normalnych opon podczas rozruchu i jazdy z małą prędkością. Gdy pociąg osiągnie prędkość krytyczną, opony się chowają, ponieważ siła elektromagnetyczna jest już wystarczająco duża, by unieść pociąg.
Kolejnym zagadnieniem jest prowadzenie pociągu. Prowadzenie oznacza, że pociąg powinien być zawsze wyśrodkowany – jechać bez uderzania w ściany toru. Innymi słowy, powinien uzyskać stabilność boczną. Japońscy inżynierowie osiągnęli tę stabilność łatwo, łącząc ze sobą cewek ósemkowych, jak pokazano wcześniej. Jeśli pociąg znajduje się na środku, indukowane EMF w prawej i lewej cewce będą sobie równe i nie przepłynie żaden prąd między nimi.
Załóżmy jednak, że pociąg przesunie się nieznacznie w prawo. To przesunięcie spowoduje różnicę EMF między prawą a lewą cewką, co doprowadzi do przepływu prądu przez przewody łączące cewki. Prąd ten znacznie wpłynie na prąd w obu dolnych pętlach i siłę biegunów każdej pętli.
Przeanalizujmy teraz siły działające na pociąg. Widać, że składowe pionowe pozostają bez zmian, ale pojawia się pozioma składowa skierowana w lewo, co zmusza pociąg do powrotu na środek. Gdy pociąg wraca na środek, prądy w przewodach łączących maleją, a pozioma siła znika. To proste i genialne rozwiązanie stabilizacji pociągu, prawda?
Na podstawie wcześniejszej analizy wiesz już, że system kriogeniczny i inne urządzenia elektryczne w pociągu wymagają ogromnej ilości energii. Jak dostarcza się prąd do tak szybkiego pociągu? Central Japan Railway stosuje technikę zwaną „indukcyjnym zasilaniem”, w którym moc elektryczna przekazywana jest z cewek naziemnych do cewki odbiorczej w pociągu bez fizycznego kontaktu.
Silne pole magnetyczne wytwarzane przez nadprzewodzące magnesy może mieć negatywny wpływ na zdrowie pasażerów. Aby temu zapobiec, używa się ekranów magnetycznych na taborze i peronach, co gwarantuje, że siła pola magnetycznego pozostaje poniżej wytycznych ICNIRP.
Testy pociągu SCMagLev rozpoczęły się w 1997 roku na linii testowej Yamanashi.
Przeprowadzono je pomyślnie i kontynuowano przez dziesięć kolejnych lat bez przerwy. Podczas tego okresu osiągnięto rekord prędkości 603 km/h. Te bardzo dobre wyniki zachęciły japońskie władze, które udzieliły zgody na komercyjną eksploatację SCMagLev między Tokio a Nagoją do roku 2027, a kolejne pociągi mają wejść do służby. Technologia SCMagLev opiera się na fizyce nadprzewodnictwa, która jest szalonym i niesamowitym zjawiskiem. Aby zrozumieć, czym jest nadprzewodnictwo w logiczny sposób, zobacz interesujący film Arvina Asha.
Nie zapomnij też dołączyć do naszego zespołu! Dziękuję!
Teraz rozważmy ten sam przypadek, ale magnes przemieszcza się lekko przesunięty względem środka pętli, jak pokazano. W tej sytuacji dolna pętla styka się z silniejszym strumieniem magnetycznym, więc EMF indukowane w dolnej pętli jest większe niż w górnej.
Ta różnica powoduje przepływ prądu w pętli. Prąd ten tworzy biegun południowy w górnej pętli i północny w dolnej. Analizując siły między biegunami, widzimy, że powstaje wypadkowa siła skierowana ku górze. Jeśli ta siła przewyższy siłę grawitacji, magnes unosi się. Tak, ruch nadprzewodzącego magnesu równolegle i przesunięty względem cewek ósemkowych powoduje lewitację. Gdy magnes unosi się, różnica EMF i prądu maleje, co zmniejsza siłę. Ostatecznie, gdy siła pionowa zrówna się z grawitacją, magnes ustabilizuje się – pociąg osiąga lewitację. Japońscy inżynierowie osiągnęli lewitację na wysokość 3,9 cala dzięki tej technologii.
Jasne jest, że im większa prędkość pociągu, tym większa siła lewitacji, co oznacza, że stojący w miejscu pociąg nie jest w stanie lewitować. Dlatego SCMagLev używa normalnych opon podczas rozruchu i jazdy z małą prędkością. Gdy pociąg osiągnie prędkość krytyczną, opony się chowają, ponieważ siła elektromagnetyczna jest już wystarczająco duża, by unieść pociąg.
Kolejnym zagadnieniem jest prowadzenie pociągu. Prowadzenie oznacza, że pociąg powinien być zawsze wyśrodkowany – jechać bez uderzania w ściany toru. Innymi słowy, powinien uzyskać stabilność boczną. Japońscy inżynierowie osiągnęli tę stabilność łatwo, łącząc ze sobą cewek ósemkowych, jak pokazano wcześniej. Jeśli pociąg znajduje się na środku, indukowane EMF w prawej i lewej cewce będą sobie równe i nie przepłynie żaden prąd między nimi.
Załóżmy jednak, że pociąg przesunie się nieznacznie w prawo. To przesunięcie spowoduje różnicę EMF między prawą a lewą cewką, co doprowadzi do przepływu prądu przez przewody łączące cewki. Prąd ten znacznie wpłynie na prąd w obu dolnych pętlach i siłę biegunów każdej pętli.
Przeanalizujmy teraz siły działające na pociąg. Widać, że składowe pionowe pozostają bez zmian, ale pojawia się pozioma składowa skierowana w lewo, co zmusza pociąg do powrotu na środek. Gdy pociąg wraca na środek, prądy w przewodach łączących maleją, a pozioma siła znika. To proste i genialne rozwiązanie stabilizacji pociągu, prawda?
Na podstawie wcześniejszej analizy wiesz już, że system kriogeniczny i inne urządzenia elektryczne w pociągu wymagają ogromnej ilości energii. Jak dostarcza się prąd do tak szybkiego pociągu? Central Japan Railway stosuje technikę zwaną „indukcyjnym zasilaniem”, w którym moc elektryczna przekazywana jest z cewek naziemnych do cewki odbiorczej w pociągu bez fizycznego kontaktu.
Silne pole magnetyczne wytwarzane przez nadprzewodzące magnesy może mieć negatywny wpływ na zdrowie pasażerów. Aby temu zapobiec, używa się ekranów magnetycznych na taborze i peronach, co gwarantuje, że siła pola magnetycznego pozostaje poniżej wytycznych ICNIRP.
Testy pociągu SCMagLev rozpoczęły się w 1997 roku na linii testowej Yamanashi.
Przeprowadzono je pomyślnie i kontynuowano przez dziesięć kolejnych lat bez przerwy. Podczas tego okresu osiągnięto rekord prędkości 603 km/h. Te bardzo dobre wyniki zachęciły japońskie władze, które udzieliły zgody na komercyjną eksploatację SCMagLev między Tokio a Nagoją do roku 2027, a kolejne pociągi mają wejść do służby. Technologia SCMagLev opiera się na fizyce nadprzewodnictwa, która jest szalonym i niesamowitym zjawiskiem. Aby zrozumieć, czym jest nadprzewodnictwo w logiczny sposób, zobacz interesujący film Arvina Asha.
Nie zapomnij też dołączyć do naszego zespołu! Dziękuję!