超強磁場強磁場的應(yīng)用

超強磁場的作用可以直接達到原子尺度，因此，它對眾多領(lǐng)域的影響是極為深遠的。在納米材料制備領(lǐng)域中，納米材料形狀和性能的控制是非常關(guān)鍵的問題。而利用超強磁場的磁力作用，有可能控制液相法制備納米材料的成核過程，它可以控制納米顆粒朝某一優(yōu)先方向生長，從而獲得高度各向異性的納米材料。此外，在這種各向異性納米材料成型時，超強磁場的作用可以使納米粉體在燒結(jié)過程中仍能保持很高的各向異性，而這是采用其它方法難以達到的。此外，超強磁場的能量還可以引起納米材料晶格的崎變，從而為制備高性能的納米材料提供了一個非常好的條件。磁化學(xué)的研究一直是化學(xué)化工工作者致力研究的領(lǐng)域，然而自二十世紀六十年代以前的近四十年中，人們只能獲得0.1—1 T左右的磁場，在這種強度的磁場下，磁場對化學(xué)反應(yīng)的影響幾乎可以忽略，由于磁場對物質(zhì)體系能量的影響隨著磁場強度的平方呈正比增加，因此，在10 T－20 T甚至100 T的超強磁場下，磁場對化學(xué)反應(yīng)體系的影響已經(jīng)到了非常顯著的地步，甚至可以影響到化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱、PH值、化學(xué)反應(yīng)進行的方向、反應(yīng)速率、活化能、熵等諸多方面。超導(dǎo)強磁體的口徑達到直徑100 mm，這已經(jīng)相當于化學(xué)化工工業(yè)常見管道的直徑，因此，開展這一領(lǐng)域的研究的應(yīng)用前景是非常明顯的。在光、磁、電等物理領(lǐng)域，研究過程離不開特殊材料，如磁光材料、光學(xué)晶體、光纖、多功能膜、磁性材料、導(dǎo)電材料等。而超強磁場可對這些材料的制備過程產(chǎn)生重要的影響。有關(guān)這一領(lǐng)域的研究遠未深入。另外，超強磁場對高分子材料、電子材料的影響也是非常重要的領(lǐng)域。生物工程領(lǐng)域中，生物組織、基因的突變是一個重要的研究方向。

已有研究表明，超強磁場對生物體的組織、生化反應(yīng)、生長過程、基因、細菌的新陳代謝等均能產(chǎn)生顯著的影響，開展超強磁場下生物工程的研究，對提升生物領(lǐng)域的研究水平和影響力，具有重要的意義。

超導(dǎo)技術(shù)是人類二十世紀的一項偉大的成就，它帶給人類無限的美好遐想，如風馳電掣的超導(dǎo)列車、高效的超導(dǎo)電機、無損耗的超導(dǎo)輸電等等，將成為改善人類生活和生存環(huán)境的有力工具。而超導(dǎo)技術(shù)最成功和廣泛的應(yīng)用在于獲得大空間的超強磁場（5T以上），國際上10 T磁場的超導(dǎo)磁體已經(jīng)開始商業(yè)化。

超導(dǎo)或者采用其他技術(shù)產(chǎn)生的強磁場是自然界沒有的一種高能物理場，在這種能場中，將發(fā)生許多奇特的現(xiàn)象。例如，水的變形，非導(dǎo)磁的木材、水滴、塑料、蟲子、草莓等物質(zhì)在超強磁場（5T以上）中將懸浮起來；金屬凝固過程中，晶粒將發(fā)生轉(zhuǎn)動，進而融合，形成類似單晶的組織；此外，強磁場對凝固過程的成核過程也產(chǎn)生顯著的影響，起到細化晶粒的作用。鑒于強磁場這些奇妙的效應(yīng)，國外發(fā)達國家如日本、法國等對強磁場下材料制備給予了極大的關(guān)注，日本有關(guān)這一領(lǐng)域的五年研究計劃已于2001年啟動。國內(nèi)國家自然科學(xué)基金委的重點項目指南中，將這一領(lǐng)域列入指南。

磁場既然是普遍存在的，通過大量的天文觀測和研究，認識到的最強磁場存在于脈沖星中。脈沖星又稱中子星，是恒星演化到晚期的一類星體。根據(jù)天體演化過程，一般恒星演化到晚期時，由于原子核聚變產(chǎn)生高熱能所需的核聚變物質(zhì)已經(jīng)用盡，熱能劇減，恒星物質(zhì)的引力便使星體收縮，體積變小，而恒星磁場便因恒星收縮和磁通密度變大而增強。這樣，演化到晚期的恒星磁場便急劇大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁場劇增到約10^3~10^4特[斯拉](T），而演化到晚期的脈沖星(中子星）的磁場更劇增到約10^8~10^9特[斯拉]，分別比太陽磁場增加約千萬到億倍（10^7~10^8倍）和約萬億到10萬億倍（10^12~10^13倍）。例如圖5便是在地球高空觀測到的武仙星座X-1脈沖星（中子星）發(fā)射的X射線譜。進一步研究認識到這一發(fā)射的X射線譜是由于X-1脈沖星的電子流在磁場中的回旋運動產(chǎn)生的，而譜線的吸收峰便是電子流在磁場中的回旋共振峰。由回旋共振的位置（X射線的能量）便可計算出回旋共振的磁場的強度約5×10^8T。這樣強的磁場是科學(xué)技術(shù)在地球上遠遠達不到的，科學(xué)技術(shù)在地球上所能得到的磁場的強度僅約10^2T，兩者相差約百萬倍（10^6倍）。

根據(jù)對各處宇宙磁場的觀測，各種星體的磁場都高于星體之間的星際空間的磁場。例如，在太陽系中各行星之間的行星際磁場約為1×10^-9~5×10^-9特[斯拉](T），即約為地球磁場的十萬分之一（10^-5）。在各個恒星之間的恒星際空間的恒星際磁場，常簡稱星際磁場，比行星際磁場更低，大約為5×10^-10~10×10^-10特[斯拉](T），即約為行星際磁場十分之一（10^-1），也就是約為地球磁場的百萬分之一（10^-6）。恒星際（空間）磁場主要是應(yīng)用恒星光的偏振觀測和恒星射電（無線電波）的塞曼效應(yīng)（即無線電波在磁場中分裂而改變頻率）觀測及維持銀河星系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論計算等來測定或估算恒星際磁場。由現(xiàn)代多方面的天文觀測知道，由大量的恒星形成星系，例如太陽便是銀河星系中的一個恒星，而銀河星系以外的宇宙空間中還有更多更多的星系。星系與星系之間的空間稱為星系際空間，根據(jù)多方面的天文觀測的間接推算和理論估計，星系際空間的磁場約為10^-13~10^-12特[斯拉](T），即約為行星際磁場的萬分之一到千分之一（10^-3~10^-2）。恒星際磁場大約相當于人的心（臟）磁場（約百億分之一T），而星系際磁場大約相當于人的腦（部）磁場（約萬億分之一T），甚至低于腦（部）磁場。

從上面宇宙磁現(xiàn)象的介紹可以看出，宇宙磁現(xiàn)象是宇宙空間到處都存在的，而且許多宇宙磁現(xiàn)象還同科學(xué)研究和我們生活有著密切的關(guān)系，還有著遠比我們在地球上接觸到的磁場更強和更弱的磁場。

六十年代發(fā)現(xiàn)了實用超導(dǎo)材料，八十年代出現(xiàn)了性質(zhì)優(yōu)良的釹鐵硼永磁材料，使人們可以不耗費很大的電功率獲得大體積持續(xù)的強磁場，發(fā)展超導(dǎo)與永磁強磁場技術(shù)是20世紀下半葉電工新技術(shù)發(fā)展的一個重要方面。在各國高能物理、核物理、核聚變，磁流體發(fā)電等大型科技計劃推動下，整個技術(shù)得到了良好的發(fā)展。低溫鈮鈦合金及鈮三錫復(fù)合超導(dǎo)線與釹鐵硼永磁材料已形成產(chǎn)業(yè)，可進行批量生產(chǎn)。人們已研制成功了15特斯拉以下各種場強，各種磁場形態(tài)，大體積的可長期可靠運行的強磁場裝置，積極推進著強磁場在各方面的應(yīng)用。

1998年3月投入運行的日本名古屋核融合科學(xué)研究所的核聚變研究用的大型螺旋裝置（LHD）是當今超導(dǎo)磁體技術(shù)水平的典型代表。裝置本體外徑13．5m，高8.8m，總重約1600t，其中4.2K冷重約850t。它有兩個主半徑3．9m，平均小半徑0．975m，繞環(huán)10圈的螺旋線圈，三對內(nèi)徑分別為3.2、5．4和10．8m的極向場螺管線圈，中心磁場前期為3特斯拉（4.2K），后期為4特斯拉（1．8K），磁場總儲能將達16億J。超導(dǎo)強磁場裝置需在液氦溫度下運行，從使用出發(fā)，努力減少漏熱以降低液氦消耗和研制配備方便可靠的低溫制冷系統(tǒng)有著重要的意義。經(jīng)不斷努力改進，一些零液氦消耗和無液氦的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)已在可靠的使用，它們只需配有小型的制冷裝置即可持續(xù)運行，不需專人維護，使應(yīng)用范圍大大擴大。

中國在超導(dǎo)與永磁磁體技術(shù)方面也進行了長期持續(xù)的努力，奠立了良好基礎(chǔ)，研制成多臺實用磁體系統(tǒng)，有些已在使用，具備了按照需求設(shè)計建造所需強磁場裝置的能力。中國科學(xué)院電工研究所研制成功的磁流體發(fā)電用鞍形二極超導(dǎo)磁體系統(tǒng)（中心磁場4特斯拉，室溫孔徑0．44m，磁場長1m，磁場儲能8.8兆焦耳）和空間反物質(zhì)探測譜儀用大型釹鐵硼永久磁體（中心磁場0.13特斯拉，孔徑1.lm，高0.8m）代表著中國當今的技術(shù)水平，無液氦磁體系統(tǒng)的研制工作也在積極進行中。

隨著超導(dǎo)與永磁強磁場技術(shù)的成熟，強磁場的多方面應(yīng)用也得到了蓬勃發(fā)展，與各種科學(xué)儀器配套的小型強磁場裝置已形成了一定規(guī)模的產(chǎn)品，做為磁場應(yīng)用技術(shù)的核磁共振技術(shù)，磁分離技術(shù)與磁懸浮技術(shù)繼續(xù)開拓著多方面的新型應(yīng)用，形成了一些新型產(chǎn)品與樣機，磁拉硅單晶生長爐也成為產(chǎn)品得到了實際應(yīng)用。

醫(yī)療用磁成像裝置已真正成為一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，全世界已有幾千臺超導(dǎo)與永磁磁成像裝置在醫(yī)院使用，中國也有永磁裝置在小批量生產(chǎn)，研制成功了幾臺0．6—1．0特斯拉的超導(dǎo)裝置。用于高嶺土提純的超導(dǎo)高梯度磁選機已有十余臺在生產(chǎn)運行，磁拉硅單晶生長爐也已開始使用，但尚未形成規(guī)模，中國科學(xué)院電工研究所與低溫工程中心曾在九十年代初研制成功超導(dǎo)磁分離工業(yè)樣機，試制成功了兩套單晶爐用超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，為產(chǎn)品的形成奠定了基礎(chǔ)。

總起來說，超導(dǎo)與永磁磁體技術(shù)已經(jīng)成熟到可以提供不同場強，形態(tài)的大體積強磁場裝置，開始形成了相應(yīng)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展還有賴于積極地進一步開拓強磁場應(yīng)用，特別是可能形成大規(guī)模市場產(chǎn)品的開拓，根據(jù)不完全的了解，主要進行的工作有：

材料科學(xué)方面

⑴熱固性高分子液晶材料強磁場下的性能及應(yīng)用。國際上在0～15特斯拉磁場范圍內(nèi)對高分子液晶材料的取向行為、熱效應(yīng)、磁響應(yīng)特性、固化成型過程等方面進行了研究，并作其力學(xué)性能和磁場的關(guān)系的定量分析，應(yīng)用前景十分看好。

⑵功能高分子材料在強磁場作用下的研究。國際上高電導(dǎo)率的高分子材料、防靜電及防電磁輻射高分子材料的研究和應(yīng)用取得了很大進展，某些材料纖維的電導(dǎo)率經(jīng)強磁場處理后，可達銅電導(dǎo)率的1/10，是極具潛力的二次電池材料。在防靜電服和隱形技術(shù)方面電磁波吸收材料已用于軍工領(lǐng)域。

⑶強磁場下金屬凝固理論與技術(shù)研究。

⑷NdFeB永磁材料的強磁場取向。在NdFeB永磁材料加壓成型過程中，采用4～5特斯拉強磁場取向，可大大提高性能，國外已開始實際應(yīng)用。

生物工程與醫(yī)療應(yīng)用方面

⑴血液在強磁場下性能的改變及對生物體的影響。國際上研究了人體及動物的全血的強磁場下的取向行為及其作用的主體——血紅細胞的作用機制；血液在強磁場下流變性能的變化；血纖維蛋白質(zhì)在強磁場下的活性變化及對生物代謝作用的影響；人血在強磁場中所受磁力、磁懸浮特性和光吸收特性。

⑵蛋白質(zhì)高分子在強磁場下的特性及其應(yīng)用。國際上研究了磷脂中縮氨酸在強磁場下的取 向作用；肌肉細胞蛋白質(zhì)在磁場中的磷代謝過程；神經(jīng)肽胺酸在強磁場下的結(jié)構(gòu)改變及蛋白質(zhì)酰胺與氫的交換等。

⑶醫(yī)療應(yīng)用。除繼續(xù)發(fā)展人體成像系統(tǒng)外，近年來國際上還研究了在4—8特斯拉強磁場下血纖維蛋白質(zhì)的活性以及對血管中血栓溶解的影響；強磁場及磁場梯度對血纖維蛋白的溶解過程的影響；強磁場對動物血細胞的活性及其對心肌保護特性的影響；外加磁場對血小板流動性能的影響及其在醫(yī)療上的應(yīng)用等。

工業(yè)應(yīng)用方面

除繼續(xù)積極進行強場磁分離技術(shù)、磁懸浮技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用外，近年來，國際上還研究了磁場對石油滯粘性能的影響及對原油的脫蠟作用；研究了磁場對水的軟化作用及改善水質(zhì)的作用；研究了外加磁場對改善燃油燃燒性能及提高燃值的作用；通過在強磁場中的取向提高金屬材料的強度和韌性；通過表面吸出排除雜質(zhì)、提高金屬質(zhì)量等。

農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面

國際上研究了外磁場對農(nóng)作物種子的萌發(fā)與生長的影響及其作用機制；研究了磁場與農(nóng)作物種子的萌發(fā)與生長的定量關(guān)系；研究了磁場與促進萌發(fā)與生長有密切關(guān)系的酶的活性與代謝作用；研究了生物酶在磁場下的合成作用以及對作物遺傳變異的影響；研究了磁化水對促進作物生長的作用及磁性肥料的研究和應(yīng)用。

隨著強磁場技術(shù)與裝備的進一步完善，已有應(yīng)用的進一步發(fā)展和積極開拓新應(yīng)用，特別是具有大規(guī)模市場前景的產(chǎn)品的發(fā)展，可以期望，21世紀中強磁場應(yīng)用將發(fā)展成為一個強有力的新興產(chǎn)業(yè)。 2100433B

存在于載流導(dǎo)體、永久磁體、運動電荷或時變電場等周圍空間的，以磁感應(yīng)強度表征的一種特殊形式的物質(zhì)。磁場的物質(zhì)性，可由它的如下許多特性顯示出來：磁場具有能量;磁場對運動電荷、載流導(dǎo)體有作用力;導(dǎo)線在磁場中運動或處在時變磁場中都將在導(dǎo)線中引起感應(yīng)電動勢，發(fā)電機、變壓器就是根據(jù)這一原理制成的;在磁場的作用下，磁致伸縮材料會發(fā)生變形，呈現(xiàn)磁致伸縮現(xiàn)象;將載流導(dǎo)體置于磁場中，導(dǎo)體的橫向兩側(cè)將出現(xiàn)電位差，即產(chǎn)生霍耳效應(yīng);磁場可使載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻發(fā)生變化，即產(chǎn)生磁致電阻效應(yīng)，等等。描述磁場的基本物理量是磁感應(yīng)強度B和重要的輔助量磁場強度H。

恒定磁場和時變磁場在空間某區(qū)域內(nèi)，若各處的磁感應(yīng)強度的量值和方向都不隨時間變化，該區(qū)域中的磁場稱恒定磁場，否則稱時變磁場。時變磁場總是和時變電場相互關(guān)聯(lián)，以電磁波的形式存在。研究某一區(qū)域中的時變磁場時，若電磁波的波長遠大于區(qū)域的線度尺寸，則可忽略位移電流對磁場的作用，這種時變磁場稱似穩(wěn)磁場。大多數(shù)電力設(shè)備中的時變磁場可以認為是似穩(wěn)磁場。

均勻磁場和非均勻磁場任何時刻，若空間某區(qū)域內(nèi)各處的磁感應(yīng)強度的量值和方向都相同，稱區(qū)域中的磁場為均勻磁場，否則稱非均勻磁場。

媒質(zhì)的磁化位于磁場中的媒質(zhì)將產(chǎn)生磁化效應(yīng)。為宏觀描述媒質(zhì)的磁化狀態(tài)及其對外磁場的影響，引入了磁場強度這一概念。磁感應(yīng)強度和磁場強度的關(guān)系，常用磁化曲線表示。電機工程中，在許多場合下，只考慮鐵磁材料的磁化;非鐵磁材料的磁化很弱，一般不予考慮，即認為這種材料的磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率相同。

磁場的基本規(guī)律磁場具有如下的基本規(guī)律。

磁通量的連續(xù)性穿過任何閉合面的磁通量等于零(見磁通量)。

磁場強度的環(huán)路積分規(guī)律磁場強度沿閉合路徑的線積分，等于穿過以該閉合路徑為周界的曲面上的全電流(見磁場強度)。

磁場的能量密度在線性媒質(zhì)中，單位體積內(nèi)的磁場能量或磁場能量密度，等于(B·H)/2。

媒質(zhì)分界面處磁場量滿足的條件在媒質(zhì)1和媒質(zhì)2的分界面上有：①媒質(zhì)1、2的磁感應(yīng)強度的法向分量B_1n、B_2n連續(xù)，即B_1n=B_2n;②媒質(zhì)1、2的磁場強度的切向分量H_1t、H_2t之差，等于分界面上的面電流密度Js(Js的方向垂直于H_1t和H_2t)，即H_1t-H_2t=Js。不存在面電流時，H_1t、H_2t連續(xù)。

磁場建立過程中本身儲存的能量。簡稱磁能。在一個線圈中建立磁場，電流從零增加到穩(wěn)定值的過程中，電源要反抗自感電動勢做功，與這部分功相聯(lián)系著的能量稱為自感磁能。若在兩個存在互感作用的線圈中分別通入電流時，電源除反抗自感電動勢做功外，還要反抗線圈間的互感電動勢而做功，和反抗互感電動勢做功相聯(lián)系的能量稱為互感磁能?？梢宰C明自感線圈中儲存的磁能為Wm=1/2LI2。式中L是線圈的自感系數(shù)，I是其中通過的電流。對于空心長螺線管(近似看作無限長)，其自感系數(shù)L=μ₀n2V。式中n是單位長度上線圈的匝數(shù)，V是螺線管的體積。將上式代入自感線圈的磁能公式得Wm=1/2(μ₀n2V)I2。由公式可知自感磁能與螺線管的體積有關(guān)。長螺線管中磁場是均勻的，磁場能量應(yīng)在線圈所圍體積內(nèi)均勻分布，所以單位體積中的磁能為wm=wm/V=₁/2BH(因為B=μ0nI，H=n_l)。wm稱為磁場能量密度，簡稱磁能密度。一般寫成wm=1/2B·H。磁能密度的數(shù)學(xué)表述雖由特例推出，但可以證明它是普遍成立的。對于非均勻磁場每一點的磁能密度仍用上式表示，只是場中各點的值不同而已。在非均勻磁場中，若求磁場的總磁能，可以表述為：Wm=VwmdV=1/2V(B·H)_dV。以上所述是在穩(wěn)恒磁場中的情況，這時磁能總與電流相伴隨，把磁能看成是與電流相聯(lián)系還是儲存在磁場中，兩種觀點效果完全相同。但在變化的電磁場中，磁場可以脫離電流而存在，這種磁場也具有能量，其磁能密度的表達式仍為wm=1/2B·H。在一般情況下，變化電磁場以波的形式傳播，在傳播過程中同時也傳播著能量，所以能量儲存在磁場中的觀點是正確的。