走進(jìn)磁的世界

蘇更林

我們生活在一個(gè)磁的世界，無(wú)時(shí)無(wú)刻不受到地球磁場(chǎng)的呵護(hù)，無(wú)論何時(shí)何地都在與磁打交道，從普通電話機(jī)到電冰箱、電磁爐，從車票到銀行卡，從發(fā)電機(jī)到磁懸浮列車……讓我們走進(jìn)磁的世界，去了解磁的慈愛(ài)和任性，去欣賞磁的奉獻(xiàn)和風(fēng)采！

慈愛(ài)之石——粉身碎骨不改“初衷”

我國(guó)是用文字記載磁現(xiàn)象最早的國(guó)家之一，早在公元前4世紀(jì)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期成書的《管子》中就有對(duì)“磁石”的描述：“石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子;石之不慈也，亦不能引也?！惫?世紀(jì)的《呂氏春秋》中也有“慈石召鐵，或引之也”的記載。這里的“慈”就是“磁”，因?yàn)樵谇貪h以前，我國(guó)典籍里是沒(méi)有“磁”字的。之所以稱為“慈石”，也許正是取慈愛(ài)之意，古人一向把磁石吸鐵的性質(zhì)比喻為“慈母愛(ài)子”。

古代人不僅了解磁石吸鐵的性質(zhì)，后來(lái)還知道了用磁石來(lái)找鐵礦。所謂“慈石召鐵”，實(shí)際上就是鐵被磁化的過(guò)程。磁化是使原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)獲得磁性的過(guò)程。除了鐵、鋼、鎳、鈷等少數(shù)材料外，其他多數(shù)材料是不能被磁化的，所以，一般將鐵、鋼、鎳、鈷等能被磁化的材料叫作鐵磁材料，其他則稱非鐵磁材料。

鐵磁性物質(zhì)被磁化的內(nèi)因，在于鐵磁性物質(zhì)是由許多被稱為“磁疇”的磁性小區(qū)所組成的，而每一個(gè)磁疇又相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵。在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用的情況下，這些小磁疇的排列是雜亂無(wú)章的，磁性相互間抵消而對(duì)外不顯磁性。一旦在外磁場(chǎng)作用下，這些磁疇就會(huì)沿著磁場(chǎng)的方向作取向排列，從而形成附加磁場(chǎng)而使磁場(chǎng)顯著增強(qiáng)。

說(shuō)到磁，不能不說(shuō)磁的任性。眾人皆知，每一個(gè)磁體都有N極和S極。如果把一個(gè)完整的磁體切成兩部分，那么每個(gè)部分的磁體又都有N極和S極，再切下去還是如此?？傊朋w即使粉身碎骨也不會(huì)改變初衷，仍堅(jiān)守自己的N極和S極。

然而，有人在進(jìn)行磁和電的類比中，提出了一個(gè)大膽的猜測(cè)：既然正、負(fù)電荷可以單獨(dú)存在，那么對(duì)于磁體也應(yīng)該有只帶N極或只帶S極的磁單極子存在。1932年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克做出了磁單極子是可以獨(dú)立存在的推斷。狄拉克的這一預(yù)測(cè)曾引起了不少物理學(xué)家的興趣，并采用各種不同的方法去尋找磁單極子。有人認(rèn)為，在宇宙誕生之初曾經(jīng)產(chǎn)生了大量的磁單極子。然而，到目前為止科學(xué)家還沒(méi)有找到磁單極子存在的確切證據(jù)。也許磁單極子根本就不存在，也許關(guān)于磁性的秘密還有很多未被人們所破解。

電磁感應(yīng)——打開電能寶庫(kù)的“鑰匙”

隨著對(duì)磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象這兩種巨大自然力認(rèn)識(shí)的逐漸深入，人們也開始思考磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象是否具有內(nèi)在的聯(lián)系。1820年，丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特有了一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，那就是在通電導(dǎo)線的周圍有磁場(chǎng)產(chǎn)生，并且能使導(dǎo)線附近的磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象叫作電流的磁效應(yīng)。同時(shí)，電流方向改變了，磁針的偏轉(zhuǎn)方向也會(huì)改變。這給了英國(guó)物理學(xué)家法拉第以啟示，他下決心尋找磁生電的方法，終于在1831年10月的一天，他把帶有絕緣外皮的金屬銅細(xì)導(dǎo)線密密麻麻地纏在了一個(gè)紙筒上，并將銅導(dǎo)線的兩端接入到了電流計(jì)上。當(dāng)他把一個(gè)圓柱形磁鐵插進(jìn)紙筒時(shí)，電流計(jì)上的指針突然轉(zhuǎn)動(dòng)了起來(lái)，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第總結(jié)出了電磁感應(yīng)定律，發(fā)明了電磁學(xué)史上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。

發(fā)電機(jī)是一類能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，它主要由磁鐵系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動(dòng)電樞組成，其工作原理是電樞上的線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，這樣它就可以對(duì)外發(fā)電了。而電動(dòng)機(jī)是一類把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，它也是由磁鐵系統(tǒng)和繞有線圈的電樞構(gòu)成的，但電動(dòng)機(jī)工作時(shí)其電樞線圈中的電流是由外部電源供給的。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)都離不開磁體，因?yàn)榇朋w在電磁能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。在生活中廣泛應(yīng)用的變壓器，其工作時(shí)也是離不開磁體的?？梢?jiàn)，磁體及有關(guān)磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，對(duì)電氣化的推進(jìn)和人類的生活產(chǎn)生了重要影響。

繽紛磁卡——讓生活變得方便快捷

在現(xiàn)代生活中，小巧玲瓏的磁卡隨處可見(jiàn)，在享受磁卡帶給我們方便和快捷的時(shí)候，很多人未必知道磁卡的工作原理。

磁卡是磁性利用的一個(gè)典型例子，它是由片基材料和均勻地涂布在片基上面的磁性微粒材料制成的。磁卡上的磁性材料是如何記錄到信息的呢？

向磁卡中寫入信息或讀取信息，都需要借助專門的技術(shù)裝置來(lái)完成。比如要在磁卡上寫入某些數(shù)據(jù)和信息，只要讓磁卡上的磁性面以一定的速度進(jìn)行移動(dòng)，或者讓由內(nèi)有空隙的環(huán)形鐵芯和繞在鐵芯上的線圈構(gòu)成的工作磁頭進(jìn)行移動(dòng)，這樣磁卡上的磁性面就會(huì)與記錄磁頭的空隙相接觸。當(dāng)磁頭的線圈上通上電流以后，空隙處就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電流成比例的磁場(chǎng)，于是磁卡與空隙接觸部分的磁體就被磁化了。因此離開空隙的磁卡的磁層就留下了與電流變化相對(duì)應(yīng)的剩磁了，這說(shuō)明磁卡上記錄的信息是以剩磁形式貯存在磁卡上的。在讀取磁卡上的信息時(shí)，只要把磁卡放在工作磁頭上進(jìn)行移動(dòng)，就可以傳輸和讀取磁卡上的信號(hào)了。

各種不同的磁卡都是具有一定物理結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的，比如常見(jiàn)銀行卡上的磁帶一般都具有3個(gè)磁道，并且每個(gè)磁道都記錄有不同的信息。銀行系統(tǒng)、證券系統(tǒng)、身份識(shí)別系統(tǒng)、駕駛員駕駛執(zhí)照管理系統(tǒng)等，一般都會(huì)對(duì)磁卡上的3個(gè)磁道提出不同的應(yīng)用格式要求。每個(gè)磁道的寬度大體上是相同的，大約在2.8毫米左右，主要用于存放用戶的數(shù)據(jù)信息;相鄰兩個(gè)磁道之間大約有0.05毫米的間隙，主要用于區(qū)分相鄰的兩個(gè)磁道。由于磁卡具有成本低廉、易于使用、便于管理以及安全性較高等特征，因此磁卡迅速走進(jìn)了人們生活的方方面面。

長(zhǎng)沙磁懸浮快線是目前世界上規(guī)劃線路最長(zhǎng)的中低速磁懸浮鐵路

磁振造影

——洞察疾病的“火眼金睛”

核磁共振成像又稱磁振造影，是利用核磁共振原理，依據(jù)所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中的不同衰減，通過(guò)外加磁場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制出物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。將核磁共振成像技術(shù)應(yīng)用于人體成像，是現(xiàn)代醫(yī)療診斷技術(shù)的一場(chǎng)革命。

核磁共振成像中的“核”指的是氫原子核。我們知道，在人體各種組織中含有大量的水和碳?xì)浠衔?，首選氫核作為人體成像元素具有靈活度高和信號(hào)強(qiáng)的特點(diǎn)。在一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)中，當(dāng)施加一射頻脈沖信號(hào)時(shí)，氫核能態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，射頻過(guò)后氫核又會(huì)返回初始能態(tài)，共振產(chǎn)生的電磁波便會(huì)發(fā)射出來(lái)。很多疾病的病理過(guò)程會(huì)導(dǎo)致水分形態(tài)的變化，可由核磁共振圖像反應(yīng)出來(lái)。核磁共振成像儀器可以精確檢測(cè)到氫核振動(dòng)的微小差別，這樣就可以得知構(gòu)成這一物體的氫核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像，相應(yīng)的病理變化就能被精確地記錄下來(lái)。

核磁共振成像所獲得的圖像非常清晰精細(xì)，分辨率很高，并可對(duì)人體各部位進(jìn)行多角度、多平面的成像，因此更能客觀具體地顯示人體內(nèi)的解剖組織及相鄰關(guān)系。核磁共振成像不僅可以大幅度提高醫(yī)生的診斷效率，而且可用于對(duì)全身各系統(tǒng)疾病的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷。同時(shí)，核磁共振成像避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術(shù)，并且不使用對(duì)人體有害的X射線和易引起過(guò)敏反應(yīng)的造影劑，因此對(duì)人體沒(méi)有損害。

懸浮列車——顛覆傳統(tǒng)的交通“革命”

磁懸浮列車是目前世界上技術(shù)最先進(jìn)并且已進(jìn)入實(shí)用階段的新型列車，其典型的特征是在工作時(shí)處于懸浮狀態(tài)。之所以讓列車“懸浮”起來(lái)，主要目的就是減小列車與軌道之間的摩擦阻力，從而大大提高了列車的速度，還能夠節(jié)能。

磁懸浮列車主要由磁懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)以及導(dǎo)向系統(tǒng)3個(gè)部分組成。其中，磁懸浮系統(tǒng)是磁懸浮列車的核心組成部分。在世界范圍內(nèi)，磁懸浮列車主要有兩種不同的懸浮形式，即排斥式磁懸浮列車和吸力式磁懸浮列車。這兩種不同的懸浮形式與磁鐵的“同性相斥”和“異性相吸”兩種形式相對(duì)應(yīng)。

排斥式磁懸浮列車是根據(jù)磁鐵“同性相斥”的原理設(shè)計(jì)的，利用列車上超導(dǎo)磁鐵形成的磁場(chǎng)與軌道上的線圈形成的磁場(chǎng)之間所產(chǎn)生的相斥力，使車體懸浮運(yùn)行在軌道上。由于機(jī)車和導(dǎo)軌的縫隙減少時(shí)電磁斥力會(huì)增大，因此電磁斥力能夠?qū)α熊囂峁┓€(wěn)定的支撐和導(dǎo)向作用。吸引式磁懸浮列車是根據(jù)磁鐵“異性相吸”的原理設(shè)計(jì)的，它利用安裝在列車兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的懸浮電磁鐵，在磁場(chǎng)作用下與鋪設(shè)在軌道上的磁鐵產(chǎn)生的吸力使車輛“懸浮”起來(lái)，并利用電子技術(shù)來(lái)保證列車上磁鐵與軌道始終保持一定的間距（10毫米），使得轉(zhuǎn)向架和列車間的吸引力與列車的重力相平衡，從而讓列車懸浮在軌道上運(yùn)行。

最近，中國(guó)第一條自主研發(fā)的湖南長(zhǎng)沙中低速磁懸浮鐵路工程開通試運(yùn)行，從而為我國(guó)的綠色交通書寫濃重的一筆。我國(guó)自行開發(fā)的中低速磁懸浮列車屬于吸力式磁懸浮列車，無(wú)論是靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都能保持穩(wěn)定懸浮的狀態(tài)。該磁懸浮列車的電磁懸浮系統(tǒng)與推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源是分開的，可由車載蓄電池進(jìn)行供電，因此即使遇到停電也能夠維持懸浮并行駛到安全區(qū)域停車。在行駛期間，車載蓄電池則可以通過(guò)安裝在支承磁鐵中的直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行充電。磁懸浮列車的推進(jìn)系統(tǒng)與同步直線電動(dòng)機(jī)的原理是一樣的，只是把電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)子”安在了列車上，而把電動(dòng)機(jī)的“定子”鋪設(shè)在了軌道上。當(dāng)給軌道這個(gè)“定子”通電時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)作用可以推動(dòng)列車這個(gè)“轉(zhuǎn)子”進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而把電能轉(zhuǎn)化為列車前進(jìn)的動(dòng)能。

畫地為牢——不怕烈火的無(wú)形“磁籠”

世界范圍內(nèi)，“人造太陽(yáng)”研究步伐逐漸加快，人們?cè)阢裤健叭嗽焯?yáng)”這種受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)為人類提供取之不盡能源的同時(shí)，也會(huì)發(fā)出這樣的疑問(wèn)：“人造太陽(yáng)”在工作時(shí)，其內(nèi)部粒子的溫度達(dá)到幾千萬(wàn)甚至上億攝氏度，比太陽(yáng)本身的溫度還高，要如何為“人造太陽(yáng)”這個(gè)大火球“畫地為牢”呢？

要保證聚變反應(yīng)的進(jìn)行，必須提供一個(gè)密閉的反應(yīng)空間。而在目前的技術(shù)條件下，沒(méi)有哪種材料能夠耐受如此高的溫度。20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了“磁約束”的概念，即利用封閉的磁場(chǎng)來(lái)約束高溫粒子的行為，并把它們束縛在一個(gè)特定的區(qū)域中。1954年，蘇聯(lián)科學(xué)家建成了第一個(gè)磁約束裝置，并將其命名為“托卡馬克”。“托卡馬克”是磁線圈圓環(huán)室的俄文縮寫，又被稱為環(huán)流器。這是一個(gè)由封閉磁場(chǎng)組成的“容器”，像一個(gè)中空的面包圈一樣。這樣的一個(gè)特殊的“容器”盡管摸不著看不見(jiàn)，但應(yīng)用起來(lái)是非常方便的，因?yàn)樗遣慌氯魏胃邷氐摹?/p>

我國(guó)的“人造太陽(yáng)”研究起步于20世紀(jì)80年代，并于1984年建成了我國(guó)環(huán)流器一號(hào)（即“托卡馬克”），1995年建成了我國(guó)環(huán)流器新一號(hào)。我國(guó)科學(xué)家最新研制的全超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST）目前正處于組裝階段，可望成為世界上第一個(gè)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的托卡馬克，因此受到了國(guó)際同行的矚目。

【責(zé)任編輯】龐 ?云