為什么冰箱貼有一面貼不住冰箱?其實這和粒子加速器是同款技術

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你有沒有發現這個問題:現在的冰箱貼,為什么只有一面能吸住冰箱,另外一面放到冰箱上后吸不住,會掉下來?
這不太對啊,磁鐵不是應該兩面都有磁性嗎?為什么會一面貼不住呢?

其實,這是因為現在的冰箱貼,應用了粒子加速器里的磁體布陣法。

利用這種布陣法,我們還可以在家里制造出電磁炮呢。一起來看看吧!

材料和操作

如果你家有那種屁股后面沒有圓柱形磁鐵的冰箱貼,可以用來觀察這個現象:把冰箱貼正面貼著冰箱,看看它會不會掉下來。

這背后的原理一會兒解釋。如果你家有一些永磁體,那就可以用這個原理來做更有趣的實驗了。我們來造一個電磁軌道炮吧。

像下面這樣子交錯排布磁鐵的南北極,然后把它們固定住,就可以增強磁場,制造出一個電磁炮啦!

紅色和綠色分別代表南北極

把幾個磁體組成的“子彈”放到軌道中央,就可以發射出驚人的速度了。

原理

冰箱貼只有一面有磁性,把它的正面貼冰箱時會掉下來,是因為現在的冰箱貼都采用了哈爾巴赫陣列(Halbach Array)的設計。



一種線性哈爾巴赫陣列,此陣列上方磁場較弱,下方磁場較強。


什么是哈爾巴赫陣列?

哈爾巴赫陣列指的是一系列永磁體的排布方式,這種排布方式使得磁場在一邊減弱,但在另一邊得到增強。通過這種方法就可以有效增強某處的磁場,同時使其變得均勻。



一種線性哈爾巴赫陣列,此陣列上方磁場較強,下方磁場較弱。
一種線性哈爾巴赫陣列,此陣列上方磁場較強,下方磁場較弱。

我們知道,磁體同性相斥,異性相吸。所以很多人下意識地會認為,要讓磁場變大,最好的方法是把幾塊磁體的南極合在一起,北極也合在一起對嗎?

實際上并不是這樣。如果讓幾塊磁體旋轉排布,反而能夠在一面能到更強的磁場。當然,這背后的代價就是,另一面的磁場減弱了。這就是哈爾巴赫陣列的邏輯。

哈爾巴赫陣列一開始是美國物理學家 John C. Mallinson 在1973年發現的,但是當時這個現象沒有引起他的重視,他認為這大概只能用在磁帶技術上。

但是在80年代,美國勞倫斯伯克利國家實驗室的物理學家 Klaus Halbach 在研究如何集中粒子束時獨立發現了這個陣列,因此后來哈爾巴赫陣列就以他的名字命名。

其實你留心冰箱貼的演變就會發現,老式的冰箱貼兩面都能吸住冰箱。這是因為,一開始冰箱貼后面真的有一塊圓柱形的磁鐵。

但是現在許多冰箱貼很薄,沒有這樣的磁鐵。這就是因為它們現在大多是用氧化鐵粉末和塑料粘合劑制成的。這種磁性混合物被切割成邊長約為1毫米的三角形棱柱后,再以下面的哈爾巴赫陣列排布。



冰箱貼的哈爾巴赫陣列@wikipedia

你可以想象冰箱貼制造商這么做的理由,那就是為了在增強磁場的同時降低成本。

現在,除了冰箱磁鐵,哈爾巴赫陣列高能物理領域(如粒子加速器,自由電子激光器,同步輻射裝置和磁透鏡)、常規治具、直流電機、磁力耦合器和發電機中都有廣泛的應用。

同步加速器里的扭擺磁鐵(Wiggler,讓粒子周期“扭腰”的儀器)里的哈爾巴赫陣列是這樣的——



Halbach wiggler@wikipedia

許多交通運輸系統,如 Inductrack 磁懸浮系統也采用了哈爾巴赫陣列加強磁場。超級高鐵 Hyperloop 也采用了線性哈爾巴赫陣列來設計分離艙。

當然,除了線性的,哈爾巴赫陣列還有很多形式。比如我們來看看下面這種環形的哈爾巴赫陣列。


用磁場觀察膜(磁力線平行于此薄膜表面時呈現白色)觀察的話,會發現這種永磁體陣列內部的磁場被聚集到了一條線上。

還有這種形式的——

這樣排布后,這款永磁體中心的磁通量超過了1.2特斯拉,相當于1200個冰箱貼,比較接近核磁共振所需的主磁鐵的磁通量了。

看看用圓形哈爾巴赫陣列可以如何玩弄小永磁體片——

我聽見有同學說線性哈爾巴赫陣列的布陣法很難記是嗎?

其實一點也不難哦,用眼睛逆時針翻白眼的順序就是哈爾巴赫陣列布陣法。

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