走進磁的世界

蘇更林

我們生活在一個磁的世界，無時無刻不受到地球磁場的呵護，無論何時何地都在與磁打交道，從普通電話機到電冰箱、電磁爐，從車票到銀行卡，從發電機到磁懸浮列車……讓我們走進磁的世界，去了解磁的慈愛和任性，去欣賞磁的奉獻和風采！

慈愛之石——粉身碎骨不改“初衷”

我國是用文字記載磁現象最早的國家之一，早在公元前4世紀戰國時期成書的《管子》中就有對“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。”公元前3世紀的《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”，因為在秦漢以前，我國典籍里是沒有“磁”字的。之所以稱為“慈石”，也許正是取慈愛之意，古人一向把磁石吸鐵的性質比喻為“慈母愛子”。

古代人不僅了解磁石吸鐵的性質，后來還知道了用磁石來找鐵礦。所謂“慈石召鐵”，實際上就是鐵被磁化的過程。磁化是使原來沒有磁性的物質獲得磁性的過程。除了鐵、鋼、鎳、鈷等少數材料外，其他多數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。

鐵磁性物質被磁化的內因，在于鐵磁性物質是由許多被稱為“磁疇”的磁性小區所組成的，而每一個磁疇又相當于一個小磁鐵。在沒有外磁場作用的情況下，這些小磁疇的排列是雜亂無章的，磁性相互間抵消而對外不顯磁性。一旦在外磁場作用下，這些磁疇就會沿著磁場的方向作取向排列，從而形成附加磁場而使磁場顯著增強。

說到磁，不能不說磁的任性。眾人皆知，每一個磁體都有N極和S極。如果把一個完整的磁體切成兩部分，那么每個部分的磁體又都有N極和S極，再切下去還是如此。總之，磁體即使粉身碎骨也不會改變初衷，仍堅守自己的N極和S極。

然而，有人在進行磁和電的類比中，提出了一個大膽的猜測：既然正、負電荷可以單獨存在，那么對于磁體也應該有只帶N極或只帶S極的磁單極子存在。1932年，英國物理學家狄拉克做出了磁單極子是可以獨立存在的推斷。狄拉克的這一預測曾引起了不少物理學家的興趣，并采用各種不同的方法去尋找磁單極子。有人認為，在宇宙誕生之初曾經產生了大量的磁單極子。然而，到目前為止科學家還沒有找到磁單極子存在的確切證據。也許磁單極子根本就不存在，也許關于磁性的秘密還有很多未被人們所破解。

電磁感應——打開電能寶庫的“鑰匙”

隨著對磁現象和電現象這兩種巨大自然力認識的逐漸深入，人們也開始思考磁現象和電現象是否具有內在的聯系。1820年，丹麥科學家奧斯特有了一個重要發現，那就是在通電導線的周圍有磁場產生，并且能使導線附近的磁針發生偏轉。這種現象叫作電流的磁效應。同時，電流方向改變了，磁針的偏轉方向也會改變。這給了英國物理學家法拉第以啟示，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導線密密麻麻地纏在了一個紙筒上，并將銅導線的兩端接入到了電流計上。當他把一個圓柱形磁鐵插進紙筒時，電流計上的指針突然轉動了起來，這就是電磁感應現象。法拉第總結出了電磁感應定律，發明了電磁學史上第一臺發電機和電動機。

發電機是一類能把機械能轉換為電能的裝置，它主要由磁鐵系統和轉動電樞組成，其工作原理是電樞上的線圈在磁場中旋轉時切割磁力線產生感應電動勢和感應電流，這樣它就可以對外發電了。而電動機是一類把電能轉換為機械能的裝置，它也是由磁鐵系統和繞有線圈的電樞構成的，但電動機工作時其電樞線圈中的電流是由外部電源供給的。發電機和電動機在工作時都離不開磁體，因為磁體在電磁能量轉換過程中發揮了重要作用。在生活中廣泛應用的變壓器，其工作時也是離不開磁體的。可見，磁體及有關磁現象的發現，對電氣化的推進和人類的生活產生了重要影響。

繽紛磁卡——讓生活變得方便快捷

在現代生活中，小巧玲瓏的磁卡隨處可見，在享受磁卡帶給我們方便和快捷的時候，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裝置來完成。比如要在磁卡上寫入某些數據和信息，只要讓磁卡上的磁性面以一定的速度進行移動，或者讓由內有空隙的環形鐵芯和繞在鐵芯上的線圈構成的工作磁頭進行移動，這樣磁卡上的磁性面就會與記錄磁頭的空隙相接觸。當磁頭的線圈上通上電流以后，空隙處就會產生一個與電流成比例的磁場，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應的剩磁了，這說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，只要把磁卡放在工作磁頭上進行移動，就可以傳輸和讀取磁卡上的信號了。

各種不同的磁卡都是具有一定物理結構和數據結構的，比如常見銀行卡上的磁帶一般都具有3個磁道，并且每個磁道都記錄有不同的信息。銀行系統、證券系統、身份識別系統、駕駛員駕駛執照管理系統等，一般都會對磁卡上的3個磁道提出不同的應用格式要求。每個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據信息;相鄰兩個磁道之間大約有0.05毫米的間隙，主要用于區分相鄰的兩個磁道。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，因此磁卡迅速走進了人們生活的方方面面。

長沙磁懸浮快線是目前世界上規劃線路最長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，依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中的不同衰減，通過外加磁場檢測所發射出的電磁波，即可得知構成這一物體原子核的位置和種類，據此可以繪制出物體內部的結構圖像。將核磁共振成像技術應用于人體成像，是現代醫療診斷技術的一場革命。

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氫化合物，首選氫核作為人體成像元素具有靈活度高和信號強的特點。在一定強度的磁場中，當施加一射頻脈沖信號時，氫核能態就會發生變化，射頻過后氫核又會返回初始能態，共振產生的電磁波便會發射出來。很多疾病的病理過程會導致水分形態的變化，可由核磁共振圖像反應出來。核磁共振成像儀器可以精確檢測到氫核振動的微小差別，這樣就可以得知構成這一物體的氫核的位置和種類，據此可以繪制成物體內部的精確立體圖像，相應的病理變化就能被精確地記錄下來。

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

懸浮列車——顛覆傳統的交通“革命”

磁懸浮列車是目前世界上技術最先進并且已進入實用階段的新型列車，其典型的特征是在工作時處于懸浮狀態。之所以讓列車“懸浮”起來，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，還能夠節能。

磁懸浮列車主要由磁懸浮系統、推進系統以及導向系統3個部分組成。其中，磁懸浮系統是磁懸浮列車的核心組成部分。在世界范圍內，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”兩種形式相對應。

排斥式磁懸浮列車是根據磁鐵“同性相斥”的原理設計的，利用列車上超導磁鐵形成的磁場與軌道上的線圈形成的磁場之間所產生的相斥力，使車體懸浮運行在軌道上。由于機車和導軌的縫隙減少時電磁斥力會增大，因此電磁斥力能夠對列車提供穩定的支撐和導向作用。吸引式磁懸浮列車是根據磁鐵“異性相吸”的原理設計的，它利用安裝在列車兩側轉向架上的懸浮電磁鐵，在磁場作用下與鋪設在軌道上的磁鐵產生的吸力使車輛“懸浮”起來，并利用電子技術來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行。

最近，中國第一條自主研發的湖南長沙中低速磁懸浮鐵路工程開通試運行，從而為我國的綠色交通書寫濃重的一筆。我國自行開發的中低速磁懸浮列車屬于吸力式磁懸浮列車，無論是靜止還是運動狀態都能保持穩定懸浮的狀態。該磁懸浮列車的電磁懸浮系統與推進驅動系統的電源是分開的，可由車載蓄電池進行供電，因此即使遇到停電也能夠維持懸浮并行駛到安全區域停車。在行駛期間，車載蓄電池則可以通過安裝在支承磁鐵中的直線發電機進行充電。磁懸浮列車的推進系統與同步直線電動機的原理是一樣的，只是把電動機的“轉子”安在了列車上，而把電動機的“定子”鋪設在了軌道上。當給軌道這個“定子”通電時，通過電磁感應作用可以推動列車這個“轉子”進行轉動，從而把電能轉化為列車前進的動能。

畫地為牢——不怕烈火的無形“磁籠”

世界范圍內，“人造太陽”研究步伐逐漸加快，人們在憧憬“人造太陽”這種受控熱核聚變反應為人類提供取之不盡能源的同時，也會發出這樣的疑問：“人造太陽”在工作時，其內部粒子的溫度達到幾千萬甚至上億攝氏度，比太陽本身的溫度還高，要如何為“人造太陽”這個大火球“畫地為牢”呢？

要保證聚變反應的進行，必須提供一個密閉的反應空間。而在目前的技術條件下，沒有哪種材料能夠耐受如此高的溫度。20世紀50年代初，蘇聯科學家提出了“磁約束”的概念，即利用封閉的磁場來約束高溫粒子的行為，并把它們束縛在一個特定的區域中。1954年，蘇聯科學家建成了第一個磁約束裝置，并將其命名為“托卡馬克”。“托卡馬克”是磁線圈圓環室的俄文縮寫，又被稱為環流器。這是一個由封閉磁場組成的“容器”，像一個中空的面包圈一樣。這樣的一個特殊的“容器”盡管摸不著看不見，但應用起來是非常方便的，因為它是不怕任何高溫的。

我國的“人造太陽”研究起步于20世紀80年代，并于1984年建成了我國環流器一號（即“托卡馬克”），1995年建成了我國環流器新一號。我國科學家最新研制的全超導托卡馬克裝置（EAST）目前正處于組裝階段，可望成為世界上第一個可實現穩態運行的具有全超導磁體和主動冷卻結構的托卡馬克，因此受到了國際同行的矚目。

【責任編輯】龐 ?云