走进磁的世界

苏更林

我们生活在一个磁的世界，无时无刻不受到地球磁场的呵护，无论何时何地都在与磁打交道，从普通电话机到电冰箱、电磁炉，从车票到银行卡，从发电机到磁悬浮列车……让我们走进磁的世界，去了解磁的慈爱和任性，去欣赏磁的奉献和风采！

慈爱之石——粉身碎骨不改“初衷”

我国是用文字记载磁现象最早的国家之一，早在公元前4世纪战国时期成书的《管子》中就有对“磁石”的描述：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子;石之不慈也，亦不能引也。”公元前3世纪的《吕氏春秋》中也有“慈石召铁，或引之也”的记载。这里的“慈”就是“磁”，因为在秦汉以前，我国典籍里是没有“磁”字的。之所以称为“慈石”，也许正是取慈爱之意，古人一向把磁石吸铁的性质比喻为“慈母爱子”。

古代人不仅了解磁石吸铁的性质，后来还知道了用磁石来找铁矿。所谓“慈石召铁”，实际上就是铁被磁化的过程。磁化是使原来没有磁性的物质获得磁性的过程。除了铁、钢、镍、钴等少数材料外，其他多数材料是不能被磁化的，所以，一般将铁、钢、镍、钴等能被磁化的材料叫作铁磁材料，其他则称非铁磁材料。

铁磁性物质被磁化的内因，在于铁磁性物质是由许多被称为“磁畴”的磁性小区所组成的，而每一个磁畴又相当于一个小磁铁。在没有外磁场作用的情况下，这些小磁畴的排列是杂乱无章的，磁性相互间抵消而对外不显磁性。一旦在外磁场作用下，这些磁畴就会沿着磁场的方向作取向排列，从而形成附加磁场而使磁场显著增强。

说到磁，不能不说磁的任性。众人皆知，每一个磁体都有N极和S极。如果把一个完整的磁体切成两部分，那么每个部分的磁体又都有N极和S极，再切下去还是如此。总之，磁体即使粉身碎骨也不会改变初衷，仍坚守自己的N极和S极。

然而，有人在进行磁和电的类比中，提出了一个大胆的猜测：既然正、负电荷可以单独存在，那么对于磁体也应该有只带N极或只带S极的磁单极子存在。1932年，英国物理学家狄拉克做出了磁单极子是可以独立存在的推断。狄拉克的这一预测曾引起了不少物理学家的兴趣，并采用各种不同的方法去寻找磁单极子。有人认为，在宇宙诞生之初曾经产生了大量的磁单极子。然而，到目前为止科学家还没有找到磁单极子存在的确切证据。也许磁单极子根本就不存在，也许关于磁性的秘密还有很多未被人们所破解。

电磁感应——打开电能宝库的“钥匙”

随着对磁现象和电现象这两种巨大自然力认识的逐渐深入，人们也开始思考磁现象和电现象是否具有内在的联系。1820年，丹麦科学家奥斯特有了一个重要发现，那就是在通电导线的周围有磁场产生，并且能使导线附近的磁针发生偏转。这种现象叫作电流的磁效应。同时，电流方向改变了，磁针的偏转方向也会改变。这给了英国物理学家法拉第以启示，他下决心寻找磁生电的方法，终于在1831年10月的一天，他把带有绝缘外皮的金属铜细导线密密麻麻地缠在了一个纸筒上，并将铜导线的两端接入到了电流计上。当他把一个圆柱形磁铁插进纸筒时，电流计上的指针突然转动了起来，这就是电磁感应现象。法拉第总结出了电磁感应定律，发明了电磁学史上第一台发电机和电动机。

发电机是一类能把机械能转换为电能的装置，它主要由磁铁系统和转动电枢组成，其工作原理是电枢上的线圈在磁场中旋转时切割磁力线产生感应电动势和感应电流，这样它就可以对外发电了。而电动机是一类把电能转换为机械能的装置，它也是由磁铁系统和绕有线圈的电枢构成的，但电动机工作时其电枢线圈中的电流是由外部电源供给的。发电机和电动机在工作时都离不开磁体，因为磁体在电磁能量转换过程中发挥了重要作用。在生活中广泛应用的变压器，其工作时也是离不开磁体的。可见，磁体及有关磁现象的发现，对电气化的推进和人类的生活产生了重要影响。

缤纷磁卡——让生活变得方便快捷

在现代生活中，小巧玲珑的磁卡随处可见，在享受磁卡带给我们方便和快捷的时候，很多人未必知道磁卡的工作原理。

磁卡是磁性利用的一个典型例子，它是由片基材料和均匀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记录到信息的呢？

向磁卡中写入信息或读取信息，都需要借助专门的技术装置来完成。比如要在磁卡上写入某些数据和信息，只要让磁卡上的磁性面以一定的速度进行移动，或者让由内有空隙的环形铁芯和绕在铁芯上的线圈构成的工作磁头进行移动，这样磁卡上的磁性面就会与记录磁头的空隙相接触。当磁头的线圈上通上电流以后，空隙处就会产生一个与电流成比例的磁场，于是磁卡与空隙接触部分的磁体就被磁化了。因此离开空隙的磁卡的磁层就留下了与电流变化相对应的剩磁了，这说明磁卡上记录的信息是以剩磁形式贮存在磁卡上的。在读取磁卡上的信息时，只要把磁卡放在工作磁头上进行移动，就可以传输和读取磁卡上的信号了。

各种不同的磁卡都是具有一定物理结构和数据结构的，比如常见银行卡上的磁带一般都具有3个磁道，并且每个磁道都记录有不同的信息。银行系统、证券系统、身份识别系统、驾驶员驾驶执照管理系统等，一般都会对磁卡上的3个磁道提出不同的应用格式要求。每个磁道的宽度大体上是相同的，大约在2.8毫米左右，主要用于存放用户的数据信息;相邻两个磁道之间大约有0.05毫米的间隙，主要用于区分相邻的两个磁道。由于磁卡具有成本低廉、易于使用、便于管理以及安全性较高等特征，因此磁卡迅速走进了人们生活的方方面面。

长沙磁悬浮快线是目前世界上规划线路最长的中低速磁悬浮铁路

磁振造影

——洞察疾病的“火眼金睛”

核磁共振成像又称磁振造影，是利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中的不同衰减，通过外加磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制出物体内部的结构图像。将核磁共振成像技术应用于人体成像，是现代医疗诊断技术的一场革命。

核磁共振成像中的“核”指的是氢原子核。我们知道，在人体各种组织中含有大量的水和碳氢化合物，首选氢核作为人体成像元素具有灵活度高和信号强的特点。在一定强度的磁场中，当施加一射频脉冲信号时，氢核能态就会发生变化，射频过后氢核又会返回初始能态，共振产生的电磁波便会发射出来。很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，可由核磁共振图像反应出来。核磁共振成像仪器可以精确检测到氢核振动的微小差别，这样就可以得知构成这一物体的氢核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像，相应的病理变化就能被精确地记录下来。

核磁共振成像所获得的图像非常清晰精细，分辨率很高，并可对人体各部位进行多角度、多平面的成像，因此更能客观具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系。核磁共振成像不仅可以大幅度提高医生的诊断效率，而且可用于对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断。同时，核磁共振成像避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术，并且不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此对人体没有损害。

悬浮列车——颠覆传统的交通“革命”

磁悬浮列车是目前世界上技术最先进并且已进入实用阶段的新型列车，其典型的特征是在工作时处于悬浮状态。之所以让列车“悬浮”起来，主要目的就是减小列车与轨道之间的摩擦阻力，从而大大提高了列车的速度，还能够节能。

磁悬浮列车主要由磁悬浮系统、推进系统以及导向系统3个部分组成。其中，磁悬浮系统是磁悬浮列车的核心组成部分。在世界范围内，磁悬浮列车主要有两种不同的悬浮形式，即排斥式磁悬浮列车和吸力式磁悬浮列车。这两种不同的悬浮形式与磁铁的“同性相斥”和“异性相吸”两种形式相对应。

排斥式磁悬浮列车是根据磁铁“同性相斥”的原理设计的，利用列车上超导磁铁形成的磁场与轨道上的线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行在轨道上。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，因此电磁斥力能够对列车提供稳定的支撑和导向作用。吸引式磁悬浮列车是根据磁铁“异性相吸”的原理设计的，它利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，在磁场作用下与铺设在轨道上的磁铁产生的吸力使车辆“悬浮”起来，并利用电子技术来保证列车上磁铁与轨道始终保持一定的间距（10毫米），使得转向架和列车间的吸引力与列车的重力相平衡，从而让列车悬浮在轨道上运行。

最近，中国第一条自主研发的湖南长沙中低速磁悬浮铁路工程开通试运行，从而为我国的绿色交通书写浓重的一笔。我国自行开发的中低速磁悬浮列车属于吸力式磁悬浮列车，无论是静止还是运动状态都能保持稳定悬浮的状态。该磁悬浮列车的电磁悬浮系统与推进驱动系统的电源是分开的，可由车载蓄电池进行供电，因此即使遇到停电也能够维持悬浮并行驶到安全区域停车。在行驶期间，车载蓄电池则可以通过安装在支承磁铁中的直线发电机进行充电。磁悬浮列车的推进系统与同步直线电动机的原理是一样的，只是把电动机的“转子”安在了列车上，而把电动机的“定子”铺设在了轨道上。当给轨道这个“定子”通电时，通过电磁感应作用可以推动列车这个“转子”进行转动，从而把电能转化为列车前进的动能。

画地为牢——不怕烈火的无形“磁笼”

世界范围内，“人造太阳”研究步伐逐渐加快，人们在憧憬“人造太阳”这种受控热核聚变反应为人类提供取之不尽能源的同时，也会发出这样的疑问：“人造太阳”在工作时，其内部粒子的温度达到几千万甚至上亿摄氏度，比太阳本身的温度还高，要如何为“人造太阳”这个大火球“画地为牢”呢？

要保证聚变反应的进行，必须提供一个密闭的反应空间。而在目前的技术条件下，没有哪种材料能够耐受如此高的温度。20世纪50年代初，苏联科学家提出了“磁约束”的概念，即利用封闭的磁场来约束高温粒子的行为，并把它们束缚在一个特定的区域中。1954年，苏联科学家建成了第一个磁约束装置，并将其命名为“托卡马克”。“托卡马克”是磁线圈圆环室的俄文缩写，又被称为环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈一样。这样的一个特殊的“容器”尽管摸不着看不见，但应用起来是非常方便的，因为它是不怕任何高温的。

我国的“人造太阳”研究起步于20世纪80年代，并于1984年建成了我国环流器一号（即“托卡马克”），1995年建成了我国环流器新一号。我国科学家最新研制的全超导托卡马克装置（EAST）目前正处于组装阶段，可望成为世界上第一个可实现稳态运行的具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克，因此受到了国际同行的瞩目。

【责任编辑】庞  云