什么是磁悬浮

当不均匀的磁场施加在抗磁材料上的力足以抵消材料自身的重力时1,磁悬浮就发生了。这种现象需要磁场强度梯度,均匀磁场是不行的。具体的讲,当磁场强度和磁场强度梯度的乘积足够大时,磁悬浮就能发生。

英国诺丁汉大学十几年前与牛津仪器联系,希望制造一个满足他们实验要求的磁体。他们希望这一磁体不仅能产生很大的磁场梯度,工作在恒定电流模式,而且可以服务于不同学科的多个研究小组。因此,客户希望磁体不仅简单易操作,而且维护费用要低。

为了达到客户的需求,牛津采用了最小凝聚体积(MCV™)技术。与传统超导磁体不同,这个磁体只用了几升液氦,而且没有液氦蒸发消耗。这样系统不仅体积小,而且无需重新灌装液氦,维护费用降到最低。不仅如此,高达50mm的室温孔径可以做活体磁悬浮实验。这个小巧的磁体的中心磁体可达17T(地磁场强度一般为0.07mT);对于悬浮实验,磁场强度和强度梯度积可达1,470 T2/m。这个强度足可以悬浮起水或油制物品或塑料,但诺丁汉的小组有更大的期望。

氧气氛增强磁悬浮


Ikezoe等人率先实现了氧气氛下的磁悬浮增强2。顺磁性的氧分子会被磁场吸引。这种在氧气氛下形成的浮力增强效应叫‘磁阿基米德’效应。在一篇富有创意的自然杂志论文上,诺丁汉的小组试图外推查理定律和居里定律,进而磁悬浮起更多种材料3。在氧的沸点附近,查理效应和居里效应可以一起产生出一半情形下10倍的‘磁阿基米德’效应。由于实验中的氧气为常压,更换样品非常容易。诺丁汉的小组成功悬浮起了金刚石(密度3.51 g ml-1)。由于液氧的顺磁性更强,它产生的浮力增强也更强。在液氧中他们实现了硅材料,一镑硬币,甚至铅、金和白金的悬浮3。正想磁液体在强磁场中表现的一样,实验中他们还观察到了液氧在磁场中出现了褶皱4。这种现象可以用来为晶体结晶的生长动力学理论建模提供实验平台。

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点击这里查看英国广播公司(BBC)的儿童电视节目“小霍华德的大问题”,节目在诺丁汉大学拍摄,展示了牛津仪器磁悬浮磁体是如何让“超级胡萝卜”飞翔的!


 

References:
1. Geim, A. K., Simon, M. D., Boamfa, M. I.,
Heflinger, L. O. Nature 400, 323 - 324 (1999).
2. Ikezoe, Y., Hirota, N., Nakagawa, J.,
Kitazawa, K. Nature 393, 749 - 750 (1998).
3. Catherall, A., Eaves, L., King, P.J., Booth,
S.R. Nature, 422, 579 (2003).
4. Cowley, M.D., Rosenweig, R.E. J Fluid Mech,
30, 671-688 (1967).

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