新的電磁革命正在路上

王安榛

電磁技術在經歷了一個多世紀的發展之后，現在正處于新的電磁革命前夜。

無線充電的生活

如今，我們的手機已能進行無線充電。但科學家并不滿足于此，他們不僅想要手機真正地達到無線充電，也就是在我們進入家門的那一刻起，手機就能開始充電，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，而是真能實現。

我們先來看看無線充電背后的科學原理。事實上，無線生電早在1910年就已經實現，只是當時沒有高效的電池以及其他原因，在100年后它才發展成無線充電。無線充電的實現，利用的是法拉第電磁感應定律。這個定律表明，當一個導電導體的磁場發生改變時，與這個導體相近的另一個導體會被引導出電流。就拿我們現在的無線充電手機來說，充電底座會不斷產生變化的磁場，根據法拉第電磁感應定律，貼在底座上的手機里的電源會被引導出電流，從而進行充電。

只是，我們目前的手機為什么要緊貼充電底座才能充電？那是因為由電流產生的磁場強度會隨距離的增加而急劇衰減。離充電底座越遠的地方，磁場強度越小，由它所引出的電流也就越小，而且能量損失也會越多。這也是為什么無線充電汽車難以出現的原因。

但是美國麻省理工學院的科學家發現，如果發射器的磁場頻率和接收器的接受頻率相同，那么能量的損失會最小化。他們利用這一方法，成功地給離充電底座半米遠的電視供電。根據同樣的原理，科學家終于能實現電動汽車的無線充電了。他們在德國柏林的某一停車場進行了實驗，成功地利用無線充電技術給電動汽車充了電，充電效率為90%，與有線充電的95%只相差5%。另外，科學家已經在以色列完成了電動汽車的行進充電實驗——電動汽車可以通過埋在馬路下的電磁圈進行充電。他們計劃于2023年在挪威的奧斯陸地區進行試點，那里的出租車到時會安裝無線電源，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，它能通過檢測大腦活動時的大腦血流變化來記錄大腦的活動。我們動腦時，某些大腦區域就會變得活躍，這也意味著這部分區域需要更多的能量。但是由于大腦并不儲存葡萄糖（葡萄糖負責提供能量），所以，大腦活躍的區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，脫氧血紅蛋白會減少。此時，大腦這部分區域的磁場就會發生變化，然后被fMRI里的靜磁場所探測到。

不過如今的fMRI的分辨率還不夠高，它最小只能分辨1毫米的細節，而科學家對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強度密切相關，靜磁場強度越大，分辨率也就越大;而靜磁場的強度又跟fMRI里面產生靜磁場部件的電流強度呈正相關，電流強度越大，靜磁場的強度越大;而傳統部件卻總是帶有電阻，所以，科學家遲遲制造不出更高分辨率的fMRI，直到他們看到了超導體。

什么是超導體？一般來說，我們日常生活中所有導體，多多少少帶有電阻。有那么一些導體，當它所處的環境溫度下降到一定的程度時（有些是-196℃，有些是-269℃以及其他低溫），它的電阻就會變成0，此時它就變成了超導體。超導體里的電子會毫無阻礙地流動，由這些電子所產生的磁場也是最大的。只是，超導體的形成條件非常苛刻，目前只用于極少數領域，例如超級計算機和實驗室。在日常領域當中，似乎只有fMRI能搭配使用超導體了。

fMRI的內部環境溫度可以通過液氦或其他手段降低，其中超導體可以為fMRI產生更強大的靜磁場，從而提高fMRI的分辨率。科學家已經成功利用液氮和陶瓷材料制作出了超導體fMRI，這種超導體fMRI更便宜。現在科學家正在對它進行測試，并估計它可以分辨0.2毫米的細節。

無損耗電網

鑒于超導體的無電阻特性，科學家做夢都想找到，或是制作能在常溫下使用的超導體，這樣我們就能擁有一個無損耗的電網了。在進行一段時間的尋找和研究之后，科學家已經發現了一些能在較高溫度下使用的超導體。

2015年，科學家發現了硫化氫能在-70℃變成超導體。2019年，科學家發現氫化鑭能在-23℃的溫度下變成超導體（這是已知使用溫度最高的超導體）。不過這些超導體還難以進行推廣，因為硫化氫和氫化鑭還分別需要在100帕和170帕的高壓環境才能實現超導。要知道磚石形成所需壓力才只有4.5～6帕。

如今科學家正在嘗試制作金屬氫。在某種高溫和高壓條件下，氫氣會變成金屬氫，它既可以是液態，也可以是固態。金屬氫在形成之后，即使它的環境條件恢復到了常溫和常壓，也不會變回氣態氫。科學家們利用現有理論進行推測，金屬氫具有超導性，它能在常壓下的17℃使用，這個溫度遠高于現有已知超導材料的使用溫度。

科學家已經在木星和土星上觀察到了金屬氫存在的跡象，現在，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了，就連我們日常生活所用的電器也可能是無損耗的。