【深造物理】磁浮列車如何「浮」與「飛」

在香港大家對「鐵路」並不陌生：每天搭地鐵通勤，已是生活的一部分。想像一下，若列車不用車輪與鋼軌接觸，幾乎沒有機械摩擦，只靠磁力懸浮與推進，速度比高鐵更快、震動更小、維護更易——這就是磁浮列車（Maglev, magnetic levitation）。這篇文章會帶你由物理原理出發，一步步拆解磁浮列車「浮起來」與「跑起來」的科學與工程。

為何要讓列車「浮」起？先談摩擦與速度

傳統列車靠車輪壓在鋼軌上前進。這個接觸雖然是「滾動」而非「滑動」，摩擦小得多，但當速度提升，問題會逐步放大：

• 機械磨耗：車輪與鋼軌長期接觸需要打磨、校正與更換，維護成本高。
• 震動與噪音：高速度下的不平整會放大成震動與尖銳噪音。
• 安全裕度：在彎道、坡度與制動距離上受限。

把列車「浮」起來，等於把最麻煩的接觸摩擦移除，剩下主要是空氣阻力與電磁系統的損耗。這讓列車在時速四、五百公里甚至更高的區間運行更具可行性與舒適性。

兩大懸浮路線：EMS 與 EDS

磁浮的核心在「懸浮」（Levitation）。主流技術可以分為兩大類：

• 電磁吸引懸浮（EMS, Electromagnetic Suspension）：車上有電磁鐵，吸住下方或側面的鐵性軌道，靠閉環控制把懸浮間隙維持在幾毫米。
• 電動動力懸浮（EDS, Electrodynamic Suspension）：車上裝置超導或強磁永磁體，列車移動時在導體軌道中誘發渦電流，依楞次定律產生排斥力，把列車頂起來，通常間隙可達數厘米。

特性	EMS	EDS	Inductrack（被動EDS變種）
懸浮力來源	電磁鐵吸引鐵軌	移動誘發渦電流的排斥力	哈爾巴赫陣列（Halbach array）永磁體與短路線圈耦合
穩定性	天生不穩定，需高速控制	速度達一定值後自穩定	隨速度增穩定，低速需輪
懸浮間隙	約 8–10 mm	約 50–100 mm	類似EDS
低速/靜止懸浮	可（靠主動控制）	不可（需起步輪）	不可（需起步輪）
能耗特徵	控制用電、磁鐵銅耗	誘導損耗與（若用超導）冷卻負擔	軌道線圈損耗，列車端用電較少

為甚麼 EMS 需要控制？因為靜態磁場無法提供穩定的三維懸浮，這是經典電磁學的基本結論（Earnshaw’s theorem）。EMS把磁力當作「吸引彈簧」，但這個彈簧的「彈性常數」會隨間隙變化而導致不穩定，必須用高速感測器與控制器動態調整線圈電流，維持固定間隙。而 EDS 靠運動時的渦電流與楞次定律產生「動態穩定」，速度愈高，斥力與穩定性愈足，但靜止時沒有懸浮力。

推進靠的是「直線馬達」，不是車輪

磁浮不只要「浮」，還要「走」。普遍採用的是直線馬達（Linear Motor），把傳統旋轉馬達攤平成一條：

• 直線同步馬達（LSM, Linear Synchronous Motor）：軌道上鋪設三相線圈產生「行進中的磁場波」，列車上裝有磁體（電磁或超導/永磁），像被電磁波「拉著走」。速度由電源頻率與磁極距決定，近似公式：v = 2 f τ，其中 f 為頻率，τ 為半極距。例如 τ = 0.1 m、f = 100 Hz，則 v ≈ 20 m/s（約 72 km/h）。
• 直線感應馬達（LIM, Linear Induction Motor）：像把電風扇的感應馬達攤平，靠感應電流與磁場交互作用推動。結構較簡、可減少軌道上主動設備，但端部效應會拉低效率與推力密度。

多數長距離高速磁浮選擇 LSM，因其效率高、可精準同步控制；短距離機場線或城市線有時採 LIM，施工與成本較易控制。無論哪種，制動可用再生制動（Regenerative braking）把動能回饋電網，搭配渦電流機械制動作為冗餘。

愈快愈穩：動態穩定的直觀理解

用日常例子理解 EDS：把一塊強磁鐵快速掠過鋁板，鋁板會對抗變化的磁場而在內部產生渦電流，這些電流創造出磁場，抵抗磁鐵靠近——結果就是「斥開」。列車移動愈快，磁通變化愈快，斥力與阻尼愈大，懸浮與導向（左右穩定）就愈穩。EMS 的世界裡，穩定則來自控制——以毫米級的間隙，感測器每毫秒甚至更快地量度，控制器即時調整電流，把列車像「抓在磁性彈簧中央」。

哈爾巴赫陣列與 Inductrack：被動也能很聰明

Inductrack 是一種被動 EDS：列車底部佈置哈爾巴赫陣列（Halbach array）的永磁體，這是一種巧妙的磁體排列，把磁通集中到一側，等於同樣重量產生更強有效場；軌道則鋪設短路線圈或導體網格。列車掠過時激發局部渦電流，產生升力與導向力。好處是列車不必帶動力供應就能有懸浮力，壞處是低速懸浮力弱、軌道電阻會把能量轉成熱，且為達足夠升力需要大量高品質永磁體。

能耗與阻力：空氣主宰高速世界

一般人以為磁浮沒有摩擦就「幾乎不耗能」，其實高速下最大的敵人是空氣。阻力公式簡化為 F_drag = 0.5 ρ C_d A v^2（空氣密度ρ、形狀阻力係數C_d、迎風面積A、速度v）。例如設 C_d A ≈ 6 m^2、ρ ≈ 1.2 kg/m^3、v = 139 m/s（約 500 km/h），則 F_drag 約 70 kN，功率 P = F v 約 10 MW。實際列車還有推進與懸浮損耗，整列功率需求可達十多到二十多 MW。這說明：

• 速度每提升一點，空氣阻力與所需功率上升得更快（功率約隨 v^3 增長）。
• 能源效率（每人公里耗電）取決於載客率與空氣動力設計；典型高速磁浮可落在數十 Wh/人公里，與高速鐵路相當或略低。

其他損耗還包括：EMS 線圈銅損與鐵損、EDS 軌道渦電流熱損、LSM 的電力電子與導線損耗、若用超導還要計算低溫制冷的功率。但在 300–500 km/h 區間，空氣動力學是第一要務，這也是為何車頭像子彈般流線、隧道設計要處理微壓波與風口。

控制與安全：毫米級間隙的「跳芭蕾」

EMS 的懸浮間隙常在 8–10 mm，以這種尺度高速奔馳，需要：

• 間隙感測（Gap sensor）：通常用電感/電容或光學方式，即時回報。
• 冗餘控制器與電源：多通道架構，任何單點故障不致失去懸浮。
• 應急輪與電池：掉電時平穩降落到小輪，靠慣性滑行或低速行駛至安全點。

EDS 系統則配備起落架（Landing gear）應付低速階段；超導磁體採用低溫絕熱結構與被動保護機制，避免猝熄（Quench）帶來的突然升阻或熱衝擊。兩者共同的安全策略是多層次：列控、通訊、軌旁檢測、風與地震監測、分段供電保護、逃生走道與疏散程序。

軌道與轉轍：把直線馬達鋪在地上的學問

磁浮軌道常見為預製混凝土梁或鋼結構，幾何精度極高，因為懸浮間隙小、導向敏感。轉轍（Switch）在磁浮上更複雜：

• 機械轉轍：整段軌梁側移或旋轉，像把「磁性軌道」換到另一條線上，日本超導磁浮採此法，可靠但機構龐大。
• 電磁轉轍：在某些設計上，透過改變線圈通電相位/頻率，創造導向力把列車引向分岔；適用於特定拓撲與速度範圍。

在地震與颱風多發地區，還需加入隔震、伸縮、側風屏障與風速監控；跨海橋段與隧道口要處理風切變與微壓波，這些都反映在土建與機電成本上。

電磁暴露與健康：和 MRI 不是一個量級

有人擔心「磁場會不會對身體不好？」磁浮車廂內的磁場強度一般遠低於醫療 MRI（1–3 特斯拉），通常處於微特斯拉到數十微特斯拉到百微特斯拉級別，接近或略高於地磁場（約 50 μT）。國際非游離輻射防護委員會（ICNIRP）的公眾暴露指南對這種低頻磁場有明確限值，商用磁浮系統通常設計在安全範圍內，且對裝有心律調節器的乘客設有指引與屏蔽措施。軌旁的磁場會比較強，但亦設有安全距離與屏障。

與高鐵的比較：什麼場景最適合磁浮？

• 速度區間：磁浮在 400–600 km/h 表現突出；300 km/h 以下，傳統高鐵性價比很高。
• 維護與舒適：無輪軌接觸，磨耗與震動低，曲線可更平順，乘坐體驗佳。
• 土建與成本：磁浮軌道需高精度且含大量線圈/導體，初建成本普遍較高，但長期維護可較省。
• 典型應用：機場快線（追求加速快、車次密、噪音低）、中短途城際（200–600 公里）。更長距離則航空更具優勢。

全球案例包括上海機場線（EMS，商業營運約 430 km/h）與日本中央新幹線（EDS 超導磁浮，測試曾達 603 km/h）。不同國家因地制宜，在土地、地形、能源結構與預算中找平衡。

物理延伸：從量子釘扎到實用工程的距離

網上常見「量子懸浮」演示：把高溫超導體冷到液氮溫度，放在磁軌上會「鎖定」在半空，這是第二類超導的磁通釘扎（Flux pinning）。雖然視覺震撼，但要把它搬到全尺寸列車，需面對：

• 冷卻系統的重量與能耗
• 軌道全程的磁場品質與均勻度
• 動態載荷與熱循環下的材料可靠性

因此商用磁浮多採成熟的 EMS 或以冷卻負擔可控的超導 EDS，並非直接使用「量子鎖定」方案。

用生活小實驗感受磁浮的核心

• 磁鐵滑過鋁片：拿一塊強磁鐵沿著厚鋁片邊緣滑落，會明顯變慢，這就是渦電流產生的「電磁阻尼」。
• 銅管落磁鐵：小磁鐵掉進銅管會慢慢落下，因誘發電流產生反向磁場抵銷重力一部分。
• 冰箱磁貼實驗：把磁貼堆疊形成更強的表面場，靠近金屬片時感受吸力如何快速增強，這呼應 EMS 中間隙微小導致力變化敏感。

常見誤解澄清

• 「磁浮全靠排斥」：不一定，EMS 是吸引，EDS 才是排斥為主。
• 「沒有摩擦等於幾乎不耗能」：高速主要耗能在空氣阻力與電磁損耗，功率需求不低。
• 「磁場會很危險」：車廂內磁場通常遠低於醫療設備等級，設計遵循國際安全標準。
• 「轉彎隨便轉」：磁浮仍受側向加速度限制，需要大半徑彎道與適當超高（軌道傾角）。

如果香港未來引入磁浮，會遇到什麼問題？

香港地狹人稠、地形起伏、隧道與高架並存，若考慮磁浮作為機場快線升級或城際銜接，需要評估：

• 走廊選擇：長直走廊才能發揮高速優勢，避免過多急彎。
• 風與天氣：颱風側風載入與鹽霧環境對外露設備的影響。
• 土建與擾民：高精度梁體製造與架設、施工噪音與時段管理。
• 電力基礎：高功率變流站、分段供電與再生能量吸收能力。

同時，跨境區域（如大灣區）若要形成高速走廊，制度與技術協同（行車控制、通訊、救援）也是關鍵。

把物理串起來：一條清晰的邏輯線

• 為何要浮：減少接觸摩擦，釋放高速潛力。
• 怎樣浮：EMS 用主動控制的吸引、EDS 用運動誘發的排斥，Inductrack 用永磁與線圈耦合。
• 怎樣走：直線馬達製造旅行中的磁場波，速度由電源頻率與極距決定；再生制動回收能量。
• 怎樣穩：EMS 用感測與控制克服先天不穩，EDS 隨速度提升而自穩。
• 成本與適用性：高速有優勢，低速與彎多環境則未必。

結語：把看不見的磁力，變成可依靠的交通

磁浮列車把教科書裡的電磁學，變成了可乘坐、可依賴的交通工具：一邊是納秒級的電力電子、毫米級的懸浮控制、米級的土建精度；另一邊是我們熟悉的速度、準點、舒適與安全。當你下次聽到「磁浮」時，不妨想起這條「看不見的鐵路」：它不是魔法，而是電流、磁場與控制工程的合奏。科學的美，在於讓抽象的物理量化、工程化，最後變成人人都能享受的日常。