为什么冰箱贴有一面贴不住冰箱?其实这和粒子加速器是同款技术

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你有没有发现这个问题:现在的冰箱贴,为什么只有一面能吸住冰箱,另外一面放到冰箱上后吸不住,会掉下来?
这不太对啊,磁铁不是应该两面都有磁性吗?为什么会一面贴不住呢?

其实,这是因为现在的冰箱贴,应用了粒子加速器里的磁体布阵法。

利用这种布阵法,我们还可以在家里制造出电磁炮呢。一起来看看吧!

材料和操作

如果你家有那种屁股后面没有圆柱形磁铁的冰箱贴,可以用来观察这个现象:把冰箱贴正面贴着冰箱,看看它会不会掉下来。

这背后的原理一会儿解释。如果你家有一些永磁体,那就可以用这个原理来做更有趣的实验了。我们来造一个电磁轨道炮吧。

像下面这样子交错排布磁铁的南北极,然后把它们固定住,就可以增强磁场,制造出一个电磁炮啦!

红色和绿色分别代表南北极

把几个磁体组成的“子弹”放到轨道中央,就可以发射出惊人的速度了。

原理

冰箱贴只有一面有磁性,把它的正面贴冰箱时会掉下来,是因为现在的冰箱贴都采用了哈尔巴赫阵列(Halbach Array)的设计。



一种线性哈尔巴赫阵列,此阵列上方磁场较弱,下方磁场较强。


什么是哈尔巴赫阵列?

哈尔巴赫阵列指的是一系列永磁体的排布方式,这种排布方式使得磁场在一边减弱,但在另一边得到增强。通过这种方法就可以有效增强某处的磁场,同时使其变得均匀。



一种线性哈尔巴赫阵列,此阵列上方磁场较强,下方磁场较弱。
一种线性哈尔巴赫阵列,此阵列上方磁场较强,下方磁场较弱。

我们知道,磁体同性相斥,异性相吸。所以很多人下意识地会认为,要让磁场变大,最好的方法是把几块磁体的南极合在一起,北极也合在一起对吗?

实际上并不是这样。如果让几块磁体旋转排布,反而能够在一面能到更强的磁场。当然,这背后的代价就是,另一面的磁场减弱了。这就是哈尔巴赫阵列的逻辑。

哈尔巴赫阵列一开始是美国物理学家 John C. Mallinson 在1973年发现的,但是当时这个现象没有引起他的重视,他认为这大概只能用在磁带技术上。

但是在80年代,美国劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Klaus Halbach 在研究如何集中粒子束时独立发现了这个阵列,因此后来哈尔巴赫阵列就以他的名字命名。

其实你留心冰箱贴的演变就会发现,老式的冰箱贴两面都能吸住冰箱。这是因为,一开始冰箱贴后面真的有一块圆柱形的磁铁。

但是现在许多冰箱贴很薄,没有这样的磁铁。这就是因为它们现在大多是用氧化铁粉末和塑料粘合剂制成的。这种磁性混合物被切割成边长约为1毫米的三角形棱柱后,再以下面的哈尔巴赫阵列排布。



冰箱贴的哈尔巴赫阵列@wikipedia

你可以想象冰箱贴制造商这么做的理由,那就是为了在增强磁场的同时降低成本。

现在,除了冰箱磁铁,哈尔巴赫阵列高能物理领域(如粒子加速器,自由电子激光器,同步辐射装置和磁透镜)、常规治具、直流电机、磁力耦合器和发电机中都有广泛的应用。

同步加速器里的扭摆磁铁(Wiggler,让粒子周期“扭腰”的仪器)里的哈尔巴赫阵列是这样的——



Halbach wiggler@wikipedia

许多交通运输系统,如 Inductrack 磁悬浮系统也采用了哈尔巴赫阵列加强磁场。超级高铁 Hyperloop 也采用了线性哈尔巴赫阵列来设计分离舱。

当然,除了线性的,哈尔巴赫阵列还有很多形式。比如我们来看看下面这种环形的哈尔巴赫阵列。


用磁场观察膜(磁力线平行于此薄膜表面时呈现白色)观察的话,会发现这种永磁体阵列内部的磁场被聚集到了一条线上。

还有这种形式的——

这样排布后,这款永磁体中心的磁通量超过了1.2特斯拉,相当于1200个冰箱贴,比较接近核磁共振所需的主磁铁的磁通量了。

看看用圆形哈尔巴赫阵列可以如何玩弄小永磁体片——

我听见有同学说线性哈尔巴赫阵列的布阵法很难记是吗?

其实一点也不难哦,用眼睛逆时针翻白眼的顺序就是哈尔巴赫阵列布阵法。

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