新的電磁革命正在路上

王安榛

電磁技術(shù)在經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展之后，現(xiàn)在正處于新的電磁革命前夜。

無線充電的生活

如今，我們的手機(jī)已能進(jìn)行無線充電。但科學(xué)家并不滿足于此，他們不僅想要手機(jī)真正地達(dá)到無線充電，也就是在我們進(jìn)入家門的那一刻起，手機(jī)就能開始充電，而不需要我們把它放充電底座上;他們還想要汽車也能無線充電，而且還要讓汽車能邊開邊充。這并非異想天開，而是真能實(shí)現(xiàn)。

我們先來看看無線充電背后的科學(xué)原理。事實(shí)上，無線生電早在1910年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，只是當(dāng)時(shí)沒有高效的電池以及其他原因，在100年后它才發(fā)展成無線充電。無線充電的實(shí)現(xiàn)，利用的是法拉第電磁感應(yīng)定律。這個(gè)定律表明，當(dāng)一個(gè)導(dǎo)電導(dǎo)體的磁場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，與這個(gè)導(dǎo)體相近的另一個(gè)導(dǎo)體會(huì)被引導(dǎo)出電流。就拿我們現(xiàn)在的無線充電手機(jī)來說，充電底座會(huì)不斷產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，貼在底座上的手機(jī)里的電源會(huì)被引導(dǎo)出電流，從而進(jìn)行充電。

只是，我們目前的手機(jī)為什么要緊貼充電底座才能充電？那是因?yàn)橛呻娏鳟a(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨距離的增加而急劇衰減。離充電底座越遠(yuǎn)的地方，磁場(chǎng)強(qiáng)度越小，由它所引出的電流也就越小，而且能量損失也會(huì)越多。這也是為什么無線充電汽車難以出現(xiàn)的原因。

但是美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果發(fā)射器的磁場(chǎng)頻率和接收器的接受頻率相同，那么能量的損失會(huì)最小化。他們利用這一方法，成功地給離充電底座半米遠(yuǎn)的電視供電。根據(jù)同樣的原理，科學(xué)家終于能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的無線充電了。他們?cè)诘聡?guó)柏林的某一停車場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，成功地利用無線充電技術(shù)給電動(dòng)汽車充了電，充電效率為90%，與有線充電的95%只相差5%。另外，科學(xué)家已經(jīng)在以色列完成了電動(dòng)汽車的行進(jìn)充電實(shí)驗(yàn)——電動(dòng)汽車可以通過埋在馬路下的電磁圈進(jìn)行充電。他們計(jì)劃于2023年在挪威的奧斯陸地區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)，那里的出租車到時(shí)會(huì)安裝無線電源，然后可以通過馬路里面的電磁圈為自己充電。

更清晰的fMRI

fMRI是一種腦成像儀，它能通過檢測(cè)大腦活動(dòng)時(shí)的大腦血流變化來記錄大腦的活動(dòng)。我們動(dòng)腦時(shí)，某些大腦區(qū)域就會(huì)變得活躍，這也意味著這部分區(qū)域需要更多的能量。但是由于大腦并不儲(chǔ)存葡萄糖（葡萄糖負(fù)責(zé)提供能量），所以，大腦活躍的區(qū)域需要更多的血液流入以獲得更多的葡萄糖。在葡萄糖分解的過程中，脫氧血紅蛋白會(huì)減少。此時(shí)，大腦這部分區(qū)域的磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生變化，然后被fMRI里的靜磁場(chǎng)所探測(cè)到。

不過如今的fMRI的分辨率還不夠高，它最小只能分辨1毫米的細(xì)節(jié)，而科學(xué)家對(duì)分辨率有更高的要求。但是，由于fMRI的分辨率跟它里面的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)，靜磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，分辨率也就越大;而靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度又跟fMRI里面產(chǎn)生靜磁場(chǎng)部件的電流強(qiáng)度呈正相關(guān)，電流強(qiáng)度越大，靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度越大;而傳統(tǒng)部件卻總是帶有電阻，所以，科學(xué)家遲遲制造不出更高分辨率的fMRI，直到他們看到了超導(dǎo)體。

什么是超導(dǎo)體？一般來說，我們?nèi)粘Ｉ钪兴袑?dǎo)體，多多少少帶有電阻。有那么一些導(dǎo)體，當(dāng)它所處的環(huán)境溫度下降到一定的程度時(shí)（有些是-196℃，有些是-269℃以及其他低溫），它的電阻就會(huì)變成0，此時(shí)它就變成了超導(dǎo)體。超導(dǎo)體里的電子會(huì)毫無阻礙地流動(dòng)，由這些電子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是最大的。只是，超導(dǎo)體的形成條件非?？量?，目前只用于極少數(shù)領(lǐng)域，例如超級(jí)計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)室。在日常領(lǐng)域當(dāng)中，似乎只有fMRI能搭配使用超導(dǎo)體了。

fMRI的內(nèi)部環(huán)境溫度可以通過液氦或其他手段降低，其中超導(dǎo)體可以為fMRI產(chǎn)生更強(qiáng)大的靜磁場(chǎng)，從而提高fMRI的分辨率?？茖W(xué)家已經(jīng)成功利用液氮和陶瓷材料制作出了超導(dǎo)體fMRI，這種超導(dǎo)體fMRI更便宜?，F(xiàn)在科學(xué)家正在對(duì)它進(jìn)行測(cè)試，并估計(jì)它可以分辨0.2毫米的細(xì)節(jié)。

無損耗電網(wǎng)

鑒于超導(dǎo)體的無電阻特性，科學(xué)家做夢(mèng)都想找到，或是制作能在常溫下使用的超導(dǎo)體，這樣我們就能擁有一個(gè)無損耗的電網(wǎng)了。在進(jìn)行一段時(shí)間的尋找和研究之后，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些能在較高溫度下使用的超導(dǎo)體。

2015年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了硫化氫能在-70℃變成超導(dǎo)體。2019年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氫化鑭能在-23℃的溫度下變成超導(dǎo)體（這是已知使用溫度最高的超導(dǎo)體）。不過這些超導(dǎo)體還難以進(jìn)行推廣，因?yàn)榱蚧瘹浜蜌浠|還分別需要在100帕和170帕的高壓環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。要知道磚石形成所需壓力才只有4.5～6帕。

如今科學(xué)家正在嘗試制作金屬氫。在某種高溫和高壓條件下，氫氣會(huì)變成金屬氫，它既可以是液態(tài)，也可以是固態(tài)。金屬氫在形成之后，即使它的環(huán)境條件恢復(fù)到了常溫和常壓，也不會(huì)變回氣態(tài)氫?？茖W(xué)家們利用現(xiàn)有理論進(jìn)行推測(cè)，金屬氫具有超導(dǎo)性，它能在常壓下的17℃使用，這個(gè)溫度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有已知超導(dǎo)材料的使用溫度。

科學(xué)家已經(jīng)在木星和土星上觀察到了金屬氫存在的跡象，現(xiàn)在，他們正在嘗試，看看能不能在地球上制造出金屬氫。如果金屬氫真的被制造出來，那么別說無損耗電網(wǎng)了，就連我們?nèi)粘Ｉ钏玫碾娖饕部赡苁菬o損耗的。