浅析强磁场的应用

浅析强磁场的应用

曲毅

淄博中学山东淄博255000

摘要：早在上世纪强磁场就已经开始被研究与发掘，时至今日强磁场技术更是成熟，本文将简要介绍强磁场的性质与原理、在国内的发展现状、在工业、军事、医学上的应用，以及发展的弊端。

关键词：脉冲强磁场；稳态强磁场；技术与应用

引言

随着时代的发展，强磁场技术逐渐应用在我们的工业生活中。在二十世纪六十年代人们发现了实用超导材料，持续强磁场消耗电能的功率就大大减少，强磁场也被人们渐渐运用到实用领域，本世纪，电工新技术应用需要重点发展超导和永磁强磁场技术，在各国核物理、核聚变等科技计划的带动下，这项技术得到了很大的发展。低温铌钛合金，铌三锡复合超导线和铷铁硼永磁材料形成了产业链，能够批量生产[1]。人们成功研制出可长期稳定运行的强磁场装置，满足15T以下的场强和磁场形态，从而推动了强磁场的应用[2]。根据在材料在磁场中收到的四种作用力如洛伦兹力、库仑力、磁化力和极化力，人们开始利用磁场来制作各项性能都更为优秀的材料。在磁场中材料主要受洛伦兹力与磁化力的作用，人们可以利用这一性质对材料的晶体取向，组织去向来做影响制作出新材料。本文将从强磁场的性质与原理、在国内的发展现状、在工业、军事、医学上的应用、发展的弊端这几个方面来浅析强磁场。螺旋装置是当今超导磁体技术水平的典型代表，而美国的稳态强磁场可以说是世界先进水平，世界稳态强磁场的最强记录就是由位于美国弗罗里达的NHMFL实验室所保持的。我国强磁场方面的研究要走的路还很长。

1.强磁场的简介

1.1强磁场的原理

自从电磁场被安培制造出来后，磁场的应用就开始变的广泛，尤其是在强磁场被应用于科学研究之后。超强磁场一般叫强磁场，是指强度远高于强度为约为0.05mt地磁场的外加磁场，一般强度大于2T。对于磁场的研究，也产生了许多新现象和新概念。这些新技术对于现代物理、生物、化学学等学科产生的影响也很巨大，更不用说日常生活了。因此，不断发展和升级磁场技术，制造出更稳定更有效的强磁场成为科学家研究强磁场的一大目标。

1.2强磁场的发展趋势

人类近代的科学技术发展伴随着地球资源的大量消耗，人们现在对于材料的量的要求不仅没有减少，而且还在质量方面上更加严格。因此各项性能更加优良的材料会被更加广泛的采用。而材料在强磁场中会在原子尺度上拥有新的变化：强磁场会重新改变原子中电子的跃迁、与排布行为，从而对这些材料的各项性质产生深远的影响。比如水在强磁场下会发生变形，非导磁物质在超强磁场中会发生悬浮现象，在金属凝固过程中，晶粒也会被影响形成单晶组织，所以如何利用强磁场对材料的影响，来制作出各项性能更加突出的新材料就非常重要了，也因此成为了各国研究磁场的科学家的重要目标。进入二十一世纪，随着科学家的研究，超导与永磁强磁场技术也逐渐成熟，应用也随之广泛，医学方面的核磁共振、交通方面的磁悬浮列车、军事方面更加灵敏与先进的雷达、材料方面的磁拉硅单晶生长炉也得到了实际应用。

1.3国内外发展现状

中国在强磁场的研究与应用方面也没有落于下风，中国的科学家一直致力于研究出稳态强磁场，2017年9月，稳态强磁场实验装置通过了验收，我国从此成为国际上第五个有稳态磁场的国家。并且同时在北京怀柔如何应对在极端条件下应用强磁场的工程也开始动工，争取可以在极低温、高温、高压强下也可以做到拥有稳态强磁场。并且在近年来取得了较大进步华中科技大学国家脉冲强磁场中心

脉冲强磁场实验装置（PHMFF）是我国“十一五”期间规划建设的十二项重大科技基础设施之一，是第一个由部属高校承建的国家重大科技基础设施项目。PHMFF于2008年4月开工建设，2014年10月通过国家验收。这个装置的建设成功是一项巨大的成功，填补了国内超高磁场实验条件的空白。不过这距离美国等发达国家仍有一些差距。现如今，超导磁体技术水平的代表是日本名古屋科学研究所的大型螺旋装置。而美国的稳态强磁场可以说是世界先进水平，世界稳态强磁场的最强记录就是由位于美国弗罗里达的NHMFL实验室所保持的。这是美国早在1993年就开始策划突破48T稳态强磁场混合磁体强磁场实验中心的计划[3]。而日本筑波科学城、荷兰Nijmegen强磁场实验室都在加强稳态强磁场的研究，所以，中国在强磁场方面其实并不是名类前茅，因而类似于核磁共振等技术被欧美垄断，在磁场研究方面，我国的科学家们还是任重而道远的。

2.强磁场的应用

2.1工业应用

由于金属成型时在强磁场下会有较大影响，拥有较大发展前景。人类对强磁场工业电磁成形技术的研究，最初开始于1960年左右的美国，物理学家Kaptliap在做实验时发现了一个现象：金属线圈在形成脉冲磁场后，在磁场力的作用下，容易胀大和涨破，这个现象引发了人们对电磁的思考。而在这众多工业应用上我们重点介绍一下电磁成形这方面。电磁成形就是在电容与控制开关构成的闭合回路中，通电瞬间，电流在线圈中产生强大的磁场，与此同时，金属工件产生感应电流，在感应电流产生的磁场作用下，金属工件成形。相比于金属爆炸成形，电磁成形的危险性更小，与电液成型相比电磁成形又更方便。电磁成形又主要在电磁冲载、电磁铆接、电磁焊接三个方面较有发展空间，我们知道，电磁产生装置在通电时产生的磁场力使划片向下滑动进行切割，而因为是强磁场所以电场力够大速度快高速成形，划片的切割面较为平滑，与普通切割相比有较大优势。电磁铆接是通过电磁成形技术而新兴发展的一类铆接方法。在开关闭合瞬间，冲击电流流经初级线圈后产生强磁场。这个磁场与磁极线圈产生的感应电流再产生了涡流磁场，涡流磁场与该强磁场相互作用产生的涡流斥力，就是我们所称的放大器的输入力，这个输入力在经过不断地反射后会输出一个带峰值的波形应力，此力再传递给铆钉，使其快速完成塑性变形。同样因其力量大，速率大，应变力大，电磁铆接也有其他铆接无法替代的优势。而电磁焊接就相对来说比较少见，但也是可以实现的，但没有明显优势。此外近年来国际上还研究了磁场软化水来改善水质作用；在强磁场的作用下，提高金属的强度；通过磁场的磁力吸出金属中的杂质，从而提高金属质量等。

2.2医学应用

而强磁场在医学上的应用较为有名与广泛的就是核磁共振了，1945年发现核磁共振成象后，就一直用于高分子材料的结构特性的研究。核磁共振就是原子核在强磁场作用下由无序变为有序，在磁场频率与与其本身运动本身频率一样时，就是发生共振，能量升高跃迁到激发态，当射频场消失时又变为平衡态，称为弛豫过程，由此可以通过其共振的结果知道其密度与组织结构，也就达到了可探明人体内部构造的目的[4]。对颅脑、脊髓等疾病核磁共振是目前为止最有效的诊断方法，核磁共振可以在较早时间发现肿瘤、脑梗塞、脑出血、脑脓肿、脑囊虫症及先天性脑血管畸形，还可以确定脑积水的种类及原因等。同时核磁共振作为一种新技术，与传统CT相比，因为其本身是强磁场是不会有放射性的，所以不会对人体产生伤害，但在准确率与检查速度上略逊一筹。

2.3军事应用

我们知道，产生磁场的装置会对导体有磁场力的作用，如果这个磁场是大于4T的强磁场，那么这个电场力就大到惊人了，电磁炮就利用了这个原理。1980年，美国为“星球大战”建造的实验电磁炮把质量为300克的炮弹加速到了每秒约4千米，而在真空中，这个速度更是可以惊人的提高到每秒8~10千米。2010年12月12日，在美国研发的电磁轨道炮试射中，电磁炮的射程为海军常规武器的10倍。美国非常重视电磁炮在军事上的应用，目标在8年内进行海上实测，在2025年实行军舰配用。电磁炮优点众多，最大的特点就是射程远初速度大，拥有炸药火炮所不能具备的优势。研究电磁武器已经是各国当今发展现代武器的重点。

3.强磁场应用中可能遇到的问题

3.1安全性问题

尽管核磁共振对人类理论上没有伤害，但因其对孕妇的孕儿畸形研究并没有研究透彻，所以现在还是建议不让怀孕初三个月内的孕妇去做核磁共振。而且强磁场可能也会对人体里的磁性物质产生影响进而造成一些不可预料的伤害。在实际应用条件下，强磁场环境下，因磁场力的作用大多金属制品都可能变为与子弹同等威力的武器，所以在实际操作时的保证人员的安全性也是一个巨大问题。因此强磁场的安全性问题还比较大。

3.2实用性问题

尽管强磁场条件下可以帮助工业生产，但那只是理想条件，强磁场的获得本来就是不容易的，而且工业的生产更是需要稳定持久的强磁场，现在可以达到获得稳定强磁场机构并不多。获得稳定强磁场的成本或许会超过其制造商品的利润，实际上，电磁成形与水处理应用意义并不大。所以强磁场的实用性并不是一片光明。

4.结论与展望

作为一个较新的技术，强磁场是一项具有很大发展前景的项目。即使强磁场现在还难以获得广泛的应用，但是这个领域还是有很大的发展前景的，如果强磁场技术成熟，那么它对工业工艺水平的提高是肯定的，且强磁场没有污染，从而在医学上与军事上的应用也会更为出色。相信随着对强磁场应用研究的深入，更多我们还没有发现的强磁场的优势会被发掘出来。

参考文献

[1]莫中云.新世纪强磁场应用的发展[J].魅力中国,2009(7):71-71.

[2]陆松.对强磁场的应用[J].江右论坛,2007.

[3]陈东风,曹志强,杨淼,etal.强磁场在材料科学中的应用现状及理论分析[J].钢铁研究,2007,35(3):58-62.

[4]林敏鹤,赵恒力,张允宏.超导强磁场的应用[J].低温与超导,1984.