20世紀初，由于用三級膨脹式蒸汽機和帶過熱器的機車，燃料消耗率進一步降低。機車和列車的結(jié)構(gòu)有了較大改進。1936年至1938年間，英國的格萊斯雷先后設計出非流線形的“太平洋”號和流線形的“大西洋”號機車，時速分別達到182.5公里和203.5公里。1938年法國制成時速為202公里的高速蒸汽機車。
由于蒸汽機車燃料消耗率高，體大笨重，污染嚴重，以后逐漸被柴油機車和電力機車所取代。1926年至1929年間，德國制成直接用齒輪傳動的和壓縮空氣傳動的柴油機車。1932年在德國的柏林至漢堡和英國的東北鐵路上分別出現(xiàn)時速為125和101.5公里的柴油機車。但由于柴油成本高和機車速度尚低于蒸汽機車，在歐洲未能推廣。美國則因柴油比較便宜，并在 1935年出現(xiàn)了標準化的組合式柴油機，大大促進了柴油機車的發(fā)展，1945年已有4000臺。
60年代初各發(fā)達國家開始成批生產(chǎn)4000～6000馬力的柴油機車。到70年代前期，柴油機車功率已成系列，數(shù)量滿足要求，很多國家停止使用蒸汽機車。1981年，英國制成時速高達270公里的高速柴油機車。
繼柴油機車之后，電力機車又逐步發(fā)展起來。1879年柏林博覽會展出第一臺可供實用的電力機車，并在德國使用。電動機的轉(zhuǎn)速可隨負載在一定范圍內(nèi)變化，運行安全，設備簡單，無污染，操縱和制動方便，而且還可以從發(fā)電站接受強大的電源，在短時間內(nèi)產(chǎn)生必需的起動功率，便于高速行駛。
1955年，法國制成高速電力機車，時速達332公里，1981年又增加到380公里。電力機車的最大困難是架空線路和變電設備成本過高問題，美國用單相交流電進行遠距離輸電，其成本比直流線路低三分之二，因而被廣泛采用，迎來電力機車大發(fā)展的新時期。
“長辮子”火車
1879年出世的世界第一臺電力機車，是利用兩條鐵軌之間的第三條軌將電力引進機車里的。這種供電方式適合于電壓和功率都比較低的情況。
隨著電力機車的發(fā)展，要使它跑得快，運載量大，就得提高電力機車供電系統(tǒng)的電壓和功率，因而需要使用高壓輸電線和變電裝置。在這種情況下，就不能再使用設在地面上的第三條軌供電的方式了，因為這既不安全，又給使用帶來不便。
1881年，德國試驗成功一種適合以高壓輸電線供電的電力機車新的供電系統(tǒng)，叫做“架空接觸導線”供電系統(tǒng)，也就是將電力機車的供電線路由地面轉(zhuǎn)向空中。實際上，這種供電系統(tǒng)和現(xiàn)在城市中的有軌電車相似，在車頂上裝著一條“長辮子”。它與以前使用蓄電池的電動機車的主要不同在于，它自身不帶電源，由電廠供電，所以機車的結(jié)構(gòu)比較簡單，但需要一套供電設備。
這種裝有“長辮子”的火車，依靠裝在車頂上的受電弓子把電力從架在空中的電線上引到機車里。高壓輸電線送來的電是高達110千伏的三相交流電，必須經(jīng)過牽引變電所變成25千伏的單相交流電，方能供機車使用。因此，在電力機車行駛的鐵道沿線上，每隔50公里左右設一個牽引變電所。變電所的電又被送到鄰近的沿線接觸網(wǎng)上，通過機車上的受電弓將交流電引到機車的整流器上，把交流電變成直流電，使直流電動機旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過一套傳動裝置，帶動車輪轉(zhuǎn)動，機車就會跑動起來。
電力機車雖然問世較早，但直到20世紀60年代才開始受到人們的重視，被大量普遍地使用起來，已成為鐵路機車家族中的佼佼者。
人們將電力機車稱為神通廣大的“火車頭”，就是因為它比蒸汽機車有著以下獨特的優(yōu)點：
一是它的馬力大，拉得多、跑得快、爬坡的勁頭足。例如，我國在 50年代末期修筑的第一條電氣化鐵路——寶 （雞）成（都）鐵路，就充分發(fā)揮了電力機車的優(yōu)越性。從寶雞到成都，第一道關口就是要翻越氣勢雄偉的秦嶺。過去用3臺蒸汽機車拉一列950噸貨車上秦嶺時，像老牛拉車每小時才行走18公里。蒸汽機車下坡時是靠閘瓦制動的，而閘瓦因摩擦就會變熱，如果不及時冷卻就難以將機車制動住。為了保證行車的安全，蒸汽機車的下坡速度比爬還慢，有時甚至走走停停，以便使受熱的閘瓦有足夠的時間冷卻。后來用3臺電力機車取代同樣數(shù)量的蒸汽機車，就能拉著2400噸的貨物，以時速50公里快速上坡，比蒸汽機車在運貨量和速度上都提高了近兩倍。電力機車下坡時，采用電阻制動，使列車能以每小時40公里的速度下坡，既快速又安全。
二是電力機車用的是“干凈”的電能，它不冒黑煙、揚灰渣，因而不會污染環(huán)境。即便是通過幾公里長的隧道，旅客也不必擔心濃煙和廢氣熏人，也不會被討厭的煤灰渣迷住眼睛或弄臟衣服。
