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【物理原理】什么是混合磁体？

环球物理 · 公众号 · 物理 · 2017-02-28 22:20

正文

因为写了一篇“大美强磁场”，很多人问我，什么是混合磁体？他有什么用处？我觉得还是有必要再写一个姊妹篇予以解释，我希望尽可能的用科普化的语言来讲，希望大家都能看的明白。

磁场的本质、原理、以及他的存在方式，我就不做解释了，高中课本就有，百度君也能很容易解惑，我这篇博文重点将放在磁场的应用上。

一、　神马是强磁场？

（1）地磁

所谓的强弱，只是一个相对的概念。得不到的永远是最好的，同样，人类做不到的，我们就认为他很强。所以强磁场的概念是逐步变化的，人类在最初发现地球有磁场，这可是一个不得了的发现，从此有了指南针，后来还发现有些动物也会根据地磁来认路。从此我们也无比的感激、敬佩，甚至恐惧地磁。甚至把很多飞机失事的不明原因，全都归结于地磁。科幻小说中把地磁无限放大，地磁好像已无所不能。其实，地磁只有0.5-0.6高斯，即使个别地方因为永磁体等原因磁场偏高，但想要影响飞机飞行，除非飞机是低空飞行，要知道，磁场会随着距离的增大迅速衰减。算了，扯远了。这个时候你要能找到一块永磁体，大家都会认为是强磁体，能产生强磁场。

（2）永磁铁

等到人们发现了永磁铁，或者叫天然磁石，我国在古代很早就已有关于磁石的记录。先秦时代的《管子》已经记载了：“山上有磁石者，其下有金铜。”可见，磁石的发现已有千年。再到近代，随着工业的不断发展，人们可以利用稀土材料合成制造永磁铁，各种形状，各种结构的都可以。永磁铁用途很多，我们的耳机，收音机，音响等很多设备和原件中都能用到，甚至我国还曾经利用永磁体制作0.5 T 的磁共振成像仪，我没有见过实物，但个头应该不小。目前最具代表性的人造永磁铁材料应该是钕铁硼，最多可以实现一万多高斯的磁场。也就是说，强磁场的定义被推到了一万多高斯。

（3）通电螺线管

一万高斯之上，就是一个新的天地，永磁铁已经望尘莫及了，这个时候现代化的电力就需要隆重登场了。高中知识告诉我们，通电螺线管可以产生磁场，没错，导线绕成线圈，通上电流即可产生磁场。通电螺线管用途同样很多，马达，变压器等设备都有用到。理论上来说，通入无限大的电流，即可产生无限大的磁场，但大家也知道，我们的所有导体都是有阻的，通入电流以后就会发热，普通的家用电器，最多也就通入10 A 的电流，长时间工作后电线发热也就会非常明显，如果通入1000 A ，10000 A 呢？同样，通电螺线管也受不了这个发热问题，材料的机械性能，绝缘性能都会出现问题，同时，还有电磁力问题，电流通入过大，磁体散架只是分分钟的事情。即使采用水冷改良后的导线绕制螺线管，最多也只能产生2万多高斯的磁场，与永磁铁比起来，提高也不大啊，但体积上小了很多。强磁场，难道只能止步于2万高斯？

（4）BITTER型水冷磁体

马上要隆重介绍的叫 BITTER 型水冷磁体，这种磁体可以算做改良后的水冷磁体通电螺线管，但因为其结构和传统的螺线管完全不同，因此需要单独介绍。简单来说，制作 BITTER 型水冷磁体，先需要将铜片扎很多孔，再将成百上千的铜片叠加起来，组成一个完整的磁体，这种磁体的优势在于，采用高压去离子水从冷却孔中快速流动，很快能将磁体通电时产生的热量带走，因而冷却效果很好；同时，由于磁体是一个整体结构，因而具有很强的机械性能，正因为此，采用这种原理的水冷磁体，很快实现了10万高斯的磁场，这可是一个不小的飞跃。这种原理是由美国一个叫 Francis Bitter 的科学家发明的，因此之后被命名为 BITTER 型水冷磁体。之后的美国强场，荷兰强场均采用该种结构，我们合肥科学岛的强磁场中心也采用了这种原理，并在此基础上进一步优化，最高实现了38.5万高斯的磁场，这也是水冷磁体目前能够实现的最高磁场的世界记录。这种磁体设计非常巧妙，然而同样对加工和安装精度要求非常高，无论是理论分析还是加工安装都要求精益求精，难度之大，可想而知。这种磁体为科学研究提供了很好的实验条件，但实际工业生产中应用不多。当然，这里必须说明一下，法国强磁场还发明了另外一种结构的磁体，叫多螺旋水冷磁体，性能上不比 BITTER 磁体逊色太多。因此呢，目前想要获得强磁场的称谓，你就必须产生10万高斯以上的磁场。

（5）超导磁体

超导现象的发现已有百年，从被发现之初，人们就寄希望能够采用超导材料制作超导磁体。然而超导材料并非那么好用，概念上来说，超导材料没有电阻，没错，但前提是必须工作在临界温度以下。现如今虽然已经发现了诸多的超导材料，低温超导，铋系的高温超导，钇系的高温超导，硼化镁，铁基，甚至那个臭不可闻的硫化氢，他们都具有超导电性，但真正大规模应用的材料还仅限于铌钛和铌三锡这两种低温超导材料，一般的工作温度都采用液氦温度4.2 K ，或者说，零下269度。超导材料本身由于结构复杂，加工难度高，因此价格很贵。且不论材料本身的成本，光这个制冷成本，一般的工业生产真还负担不起。但即便如此，超导磁体还是应用在很多地方，生活中最常见的莫过于医院的磁共振设备，他可以准确的检查肿瘤。除此之外，超导磁体绝大部分都应用在科研领域，人造太阳，加速器，强磁场等等。但超导磁体产生的磁场并非没有极限，他会受到材料本身的临界磁场限制，铌钛只能用于10万高斯以下磁场，采用铌三锡也只能产生最高23.5万高斯的磁场，再要往上做，只能借助于高温超导材料，但高温超导材料目前还不完全成熟，无论是材料性能还是磁体技术，还有很大的发展空间，未来，产生30万，甚至40万高斯以上的磁场还是有希望的。

二、强磁场有神马用？

强磁场的概念已经介绍了很多，但强磁场到底有什么用呢？其实很专业，但也很简单。强磁场是一种重要的极端条件，为科学研究提供了特殊的环境，处在其中的物质结构及其转变过程都可能发生变化，这为物理、化学、材料和生物等学科的研究提供了新的途径，开辟了新的空间。在过去二十年中，包括量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像、第二类超导体及超流理论等与强磁场有关的诺贝尔奖已有8项。有了诺贝尔这个大帽子，相信不会再有人怀疑其积极作用。强磁场，他和极低温，超高压都可以并称为基础研究的利器。强磁场，你，值得拥有。

正因为磁场强度越高，对于物质系统的电子能态改变就越大，从而导致更多的奇特现象出现，给科学创新提供更多的机遇。因此，作为获得高磁场有效方法的强磁场实验装置已成为当今开展凝聚态物理、磁学、材料科学、化学、生命科学、医学等领域前沿基础研究不可替代的重要手段。美、法、日、荷等国家相继都建成了自己的强磁场实验室。我们国家虽然起步晚，但目前做的还不错，不仅占有了一席之地，据悉，美国人已经开始把我们作为竞争对手了。作为老美的竞争对手，我突然有种成就感。还有，据说韩国人看到我们强磁场发展的红红火火，这两年也有些心热，开始明里暗里的联系我们，端午节容易抢，强磁场技术却并非那么容易。

三、神马是混合磁体？

强磁场刚介绍清楚，又冒出来一个混合磁体，咋就这么多新名词呢？科学嘛，不创新怎么搞科学。前面说了， BITTER 型水冷磁体很棒，可以产生38.5万高斯的磁场，超导磁体也不错，能够产生20多万高斯的磁场。然而，追求无极限，还能产生更高的磁场吗？这个，可以有。 BITTER 型水冷磁体虽然很棒，但他的确是一个电老虎，想让一个磁体转起来，就得输入一个小型火力发电站的能量，如果还想要更高的磁场，能量还得加倍。同时，现有的材料性能也已达不到要求，无论是导电性能还是机械性能都倍感压力。而对于超导磁体，磁场实现的虽然倍加轻松，不需要输入太多的能量，但临界磁场是死的，你无法超越。这个时候，我们想到了1+1>2，将水冷磁体和超导磁体结合起来，取长补短，联合产生磁场，这样的效率最高，效果最好，这个就是混合磁体的概念。美国的45万高斯用的是这个原理，我们的40万高斯同样用的是这个原理。

在这儿再啰嗦一点，稍微介绍一下混合磁体中使用的超导磁体，这个磁体和普通的超导磁体结构不同，因为水冷磁体要安装在他的内部，因而需要提供很大的口径，这样超导线需要承受的电磁力也呈10倍的上升，因而不能采用传统的密绕磁体，必须采用一种新的结构，叫管内电缆导体（CICC），简单来说，将数百根超导线先绞缆成超导电缆，再穿入不锈钢管中，然后挤压成型，再采用这种管内电缆导体绕制磁体。好处在于，不锈钢管可以承载应力，需要的冷质少等。其实这种导体结构并不陌生，人造太阳装置中超导磁体也采用了这种结构，原理相同，但结构各异。混合磁体的难点更多的在于超导，超导磁体不但需要给水冷磁体提供一个很高的背景磁场，同时还需要提供很大的室温空间，提供的背景场越高，将来混合磁体组合而成的磁场也越高，提供的室温空间越大，水冷磁体发挥的空间就越大。同时，由于超导磁体和水冷磁体之间有很强的电磁耦合，水冷磁体的运行故障会直接波及超导磁体的稳定运行，因而在失超探测和保护方面压力剧增。纵观国外的四大强磁场，超导磁体研制失败的风险巨大。也正因为此，对超导材料的选择，磁体结构的设计，加工精度的要求，过程质量的控制等等要求都很高很高。强场有风险，入手需谨慎啊。