磁在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用：在講述磁性材料的磁性來源、電磁感應(yīng)、磁性器件時，我們已經(jīng)提到了有些磁性材料的實際應(yīng)用。實際上，磁性材料已經(jīng)在傳統(tǒng)工業(yè)的各個方面得到了廣泛應(yīng)用。例如，如果沒有磁性材料，電氣化就成為不可能，因為發(fā)電要用到發(fā)電機(jī)、輸電要用到變壓器、電力機(jī)械要用到電動機(jī)、電話機(jī)、收音機(jī)和電視機(jī)中要用到揚(yáng)聲器。眾多儀器儀表都要用到磁鋼線圈結(jié)構(gòu)。這些都已經(jīng)在講述其它內(nèi)容時說到了。生物界和醫(yī)學(xué)界的磁應(yīng)用：信鴿愛好者都知道，如果把鴿子放飛到數(shù)百公里以外，它們還會自動歸巢。鴿子為什么有這么好的認(rèn)家本領(lǐng)呢？原來，鴿子對地球的磁場很敏感，它們可以利用地球磁場的變化找到自己的家。如果在鴿子的頭部綁上一塊磁鐵，鴿子就會迷航。如果鴿子飛過無線電發(fā)射塔，強(qiáng)大的電磁波干擾也會使它們迷失方向。在醫(yī)學(xué)上，利用核磁共振可以診斷人體異常組織，判斷疾病，這就是我們比較熟悉的核磁共振成像技術(shù)，其基本原理如下：原子核帶有正電，并進(jìn)行自旋運(yùn)動。通常情況下，原子核自旋軸的排列是無規(guī)律的，但將其置于外加磁場中時，核自旋空間取向從無序向有序過渡。自旋系統(tǒng)的磁化矢量由零逐漸增長，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時，磁化強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定值。如果此時核自旋系統(tǒng)受到外界作用，如一定頻率的射頻激發(fā)原子核即可引起共振效應(yīng)。在射頻脈沖停止后，自旋系統(tǒng)已激化的原子核，不能維持這種狀態(tài)，將回復(fù)到磁場中原來的排列狀態(tài)，同時釋放出微弱的能量，成為射電信號，把這許多信號檢出，并使之時進(jìn)行空間分辨，就得到運(yùn)動中原子核分布圖像。核磁共振的特點(diǎn)是流動液體不產(chǎn)生信號稱為流動效應(yīng)或流動空白效應(yīng)。因此血管是灰白色管狀結(jié)構(gòu)，而血液為無信號的黑色。這樣使血管很容易軟組織分開。正常脊髓周圍有腦脊液包圍，腦脊液為黑色的，并有白色的硬膜為脂肪所襯托，使脊髓顯示為白色的強(qiáng)信號結(jié)構(gòu)。核磁共振已應(yīng)用于全身各系統(tǒng)的成像診斷。效果最佳的是顱腦，及其脊髓、心臟大血管、關(guān)節(jié)骨骼、軟組織及盆腔等。對心血管疾病不但可以觀察各腔室、大血管及瓣膜的解剖變化，而且可作心室分析，進(jìn)行定性及半定量的診斷，可作多個切面圖，空間分辨率高，顯示心臟及病變?nèi)玻捌渑c周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系，優(yōu)于其他X線成像、二維超聲、核素及CT檢查。磁不僅可以診斷，而且能夠幫助治療疾病。磁石是古老中醫(yī)的一味藥材?，F(xiàn)在，人們利用血液中不同成分的磁性差別來分離紅細(xì)胞和白細(xì)胞。另外，磁場與人體經(jīng)絡(luò)的相互作用可以實現(xiàn)磁療，在治療多種疾病方面有獨(dú)到的作用，已經(jīng)有磁療枕、磁療腰帶等應(yīng)用。用磁鐵作成的除鐵器可以去除面粉等中可能存在的鐵末，磁化水可以防止鍋爐結(jié)垢，磁化種子可以在一定程度上使農(nóng)作物增產(chǎn)。天文、地質(zhì)、考古和采礦等領(lǐng)域的磁應(yīng)用：我們已經(jīng)知道，地球是一塊巨大的磁鐵，那么，它的磁性來自何處？它是自古就有的嗎？它和地質(zhì)狀況有什么聯(lián)系？宇宙中的磁場又是如何的？至少在圖片上我們都見過燦爛的北極光。我國自古代就有了北極光的記載。北極光實際上是太陽風(fēng)中的粒子和地磁場相互作用的結(jié)果。太陽風(fēng)是由太陽發(fā)出的高能帶電粒子流。當(dāng)它們到達(dá)地球時，與地磁場發(fā)生相互作用，就好象帶電流的導(dǎo)線在磁場中受力一樣，使得這些粒子向南北極運(yùn)動和聚集，并且和地球高空的稀薄氣體相碰撞，結(jié)果使氣體分子受激發(fā)，從而發(fā)光。太陽黑子是太陽上磁場活動非常劇烈的區(qū)域。太陽黑子的爆發(fā)對我們的生活會產(chǎn)生影響，例如使得無線電通信暫時中斷等。因此，研究太陽黑子對我們有重要意義。地磁的變化可以用來勘探礦床。由于所有物質(zhì)均具有或強(qiáng)或弱的磁性，如果它們聚集在一起，形成礦床，那么必然對附近區(qū)域的地磁場產(chǎn)生干擾，使得地磁場出現(xiàn)異常情況。根據(jù)這一點(diǎn)，可以在陸地、海洋或者空中測量大地的磁性，獲得地磁圖，對地磁圖上磁場異常的區(qū)域進(jìn)行分析和進(jìn)一步勘探，往往可以發(fā)現(xiàn)未知的礦藏或者特殊的地質(zhì)構(gòu)造。不同地質(zhì)年代的巖石往往具有不同的磁性。因此，可以根據(jù)巖石的磁性輔助判斷地質(zhì)年代的變化以及地殼變動。很多礦藏資源都是共生的，也就是說好幾種礦物質(zhì)混合的一起，它們具有不同的磁性。利用這個特點(diǎn)，人們開發(fā)了磁選機(jī)，利用不同成分礦物質(zhì)的不同磁性以及磁性強(qiáng)弱的差別，用磁鐵吸引這些物質(zhì)，那么它們所受到的吸引力就有所區(qū)別，結(jié)果可以將混在一起的不同磁性的礦物質(zhì)分開，實現(xiàn)了磁性選礦。軍事領(lǐng)域的磁應(yīng)用：磁性材料在軍事領(lǐng)域同樣得到了廣泛應(yīng)用。例如，普通的水雷或者地雷只能在接觸目標(biāo)時爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷上安裝磁性傳感器，由于坦克或者軍艦都是鋼鐵制造的，在它們接近（無須接觸目標(biāo)）時，傳感器就可以探測到磁場的變化使水雷或地雷爆炸，提高了殺傷力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，制空權(quán)是奪得戰(zhàn)役勝利的關(guān)鍵之一。但飛機(jī)在飛行過程中很容易被敵方的雷達(dá)偵測到，從而具有較大的危險性。為了躲避敵方雷達(dá)的監(jiān)測，可以在飛機(jī)表面涂一層特殊的磁性材料吸波材料，它可以吸收雷達(dá)發(fā)射的電磁波，使得雷達(dá)電磁波很少發(fā)生反射，因此敵方雷達(dá)無法探測到雷達(dá)回波，不能發(fā)現(xiàn)飛機(jī)，這就使飛機(jī)達(dá)到了隱身的目的。這就是大名鼎鼎的“隱形飛機(jī)”。隱身技術(shù)是目前世界軍事科研領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。美國的F117隱形戰(zhàn)斗機(jī)便是一個成功運(yùn)用隱身技術(shù)的例子。在美國的“星球大戰(zhàn)”計劃中，有一種新型武器“電磁武器”的開發(fā)研究。傳統(tǒng)的火炮都是利用彈藥爆炸時的瞬間膨脹產(chǎn)生的推力將炮彈迅速加速，推出炮膛。而電磁炮則是把炮彈放在螺線管中，給螺線管通電，那么螺線管產(chǎn)生的磁場對炮彈將產(chǎn)生巨大的推動力，將炮彈射出。這就是所謂的電磁炮。類似的還有電磁導(dǎo)彈等。 （2）在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 當(dāng)水以一定流速，垂直于不同強(qiáng)度的磁場方向流過時，則可獲得不同強(qiáng)度的磁化水。用適當(dāng)強(qiáng)度的磁化水處理農(nóng)作物的種子、喂養(yǎng)家禽家畜，可提高農(nóng)作物和家禽家畜的產(chǎn)量和質(zhì)量。如有人用磁場強(qiáng)度為1500A/m的磁化水浸泡水稻種子、可增產(chǎn)(1520)，用2000A/m磁化水喂雞，每只雞多產(chǎn)蛋（79)個，且每個蛋增重15g。用3000A/m的磁化水喂豬，豬平均增重37，用來噴灑土豆、蘿卜，每畝可增產(chǎn)(3540)kg。 （3）在節(jié)能方面的應(yīng)用 利用稀土永磁電機(jī)沒有激磁線圈和鐵心、沒有損耗、不發(fā)熱等特點(diǎn)來代替常用電動機(jī)，可縮小體積、減輕重量、提高效率。如在汽車中用永磁電機(jī)替代傳統(tǒng)的電機(jī)，可使體積減輕4070，效率提高50以上，并可節(jié)銅節(jié)電。將電氣設(shè)備中大量使用的電磁開關(guān)、電磁閥的電磁鐵換成永磁體，可節(jié)電90以上。 利用磁懸浮原理制成新型無摩擦的軸承取代傳統(tǒng)軸承，其能耗可降低90以上。 利用磁流體發(fā)電，當(dāng)高溫高速氣流通過強(qiáng)磁場時，氣流由于高溫電離變成等離子導(dǎo)電流體切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電能。其發(fā)電效率比傳統(tǒng)的水力、火力、核能發(fā)電提高(5060)，一個一百萬kW的磁流體發(fā)電廠，年節(jié)煤可達(dá)一百萬噸，造價僅為火力發(fā)電廠的14。 （4）在環(huán)保方面的應(yīng)用 1）隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及各種通訊、家用電器、辦公自動化等電子設(shè)備的日益普及應(yīng)用，電磁波的輻射與泄漏問題愈來愈嚴(yán)重，它不僅對電子設(shè)備本身產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁波干擾，同時威脅著人類的身心健康，已成為嚴(yán)重的環(huán)境污染源。研制與開發(fā)不同的磁性吸收材料做成元器件和涂料來防止電磁波輻射、信號竄擾等，以達(dá)到環(huán)境免受電磁污染的目的。 2）目前90能源來自煤、石油和天然氣的燃燒。而燃燒所產(chǎn)生的多種有害氣體的排放會污染環(huán)境。如把磁化節(jié)油減煙器、燃油增能器用于燃油燃?xì)庠O(shè)備中，在燃料未燃燒前進(jìn)行磁化，促使油、氧分子鏈斷裂霧化，使之充分燃燒，提高燃燒效率，可節(jié)油氣10左右。由于燃燒溫度升高，發(fā)電機(jī)重力增加，CO、NO等有害氣體排放減少（2565），減煙率達(dá)50以上。如用高梯度磁分離器，可有效地除去煤粉、煤漿中的硫化物，大量減少二氧化硫氣體的排放量，脫硫率可達(dá)(8095)，灰分減少（3070），煤的回收率可達(dá)（8590）。 （5）在高能武器方面的應(yīng)用 1）激光炮：在激光武器系統(tǒng)中有許多磁光器件。如：磁光隔離器、磁光調(diào)制器、磁光環(huán)行器、磁光旋轉(zhuǎn)器、磁光開關(guān)、磁光移機(jī)器等關(guān)鍵器件。美、俄、日等國都投入了大量的人力物人進(jìn)行研制。 2）電磁炮：是利用電磁力（洛倫茨力）通過加速器將電磁能轉(zhuǎn)化為彈丸的動能，并以高達(dá)（1020）km/s的高速從發(fā)射器發(fā)出。電磁發(fā)射的推力大約為火藥的10倍。所發(fā)射的炮彈速度高、射程遠(yuǎn)、精度高、穿透力強(qiáng)。美國已研制出兩門低能樣炮，將來，電磁炮的速度可能高達(dá)100km/s。 3）高功率微波武器：據(jù)報道原蘇聯(lián)已研制成一種專用于防空的微波武器，其輻射功率為1GW,作用距離(110)km，主要用來保護(hù)防空中心，并且有抗反輻射導(dǎo)彈的功能。整套設(shè)備重13噸，分裝在三輛越野車上。該系統(tǒng)應(yīng)用了多種磁性微波器件。 （6）在防空導(dǎo)彈系統(tǒng)中的應(yīng)用 1）80年代初，美國西屋電器公司為空軍主力戰(zhàn)斗轟炸機(jī)研制了捷變技術(shù)雷達(dá)（EAR），裝備B1B和B52型轟炸機(jī)。EAR相控陣天線使用1818個鐵氧體移相變極化的輻射單元，由鐵氧體移相段產(chǎn)生相移，再由鐵氧體變極化器來實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換。 2）在海灣戰(zhàn)爭中，美國“愛國者”防空導(dǎo)彈系統(tǒng)中采用了C波段相控陣?yán)走_(dá)ANMPQ53（SAMD）與火控雷達(dá)相聯(lián)，雷達(dá)天線是八個大小不一，形狀不同，用途各異的天線陣，主天線由5161個四位鎖式非互易鐵氧體移相器組成，還有五個51個輻射單元的小陣列天線作為旁瓣抵消，以減少敵方干擾。在欄截伊軍“飛毛腿”導(dǎo)彈中大顯身手?，F(xiàn)在應(yīng)用鐵氧體移相器的相控陣?yán)走_(dá)有幾十種，采用頻段有S、C、X、Ku波段。 （7）在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 由于超高磁能積稀土永磁體和室溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，研制出新一代交通運(yùn)輸工具。 1）磁懸浮列車:磁懸浮列車，是借助于磁力來懸浮、導(dǎo)引與驅(qū)動車輛。其特點(diǎn)是它沒有車輪，而依靠電磁作用力把車輛懸浮在導(dǎo)軌上方，行走時，除與空氣磨擦外，沒有輪接觸所帶來的阻力。其推動力為直線電機(jī)，在高速行駛時，就像一架超低空飛行的飛機(jī)。時速可達(dá)(5001000)km。由于磁懸浮列車無機(jī)械接觸、噪聲低、速度高、安全、平穩(wěn)、不污染環(huán)境、節(jié)省能源，所以是一種理想的綠色交通工具。 2）日本制成時速180kg的第一艘超導(dǎo)試驗船，該船沒有螺旋漿，由超導(dǎo)磁力推進(jìn)，船身30m,重280噸，時速比現(xiàn)在最快的運(yùn)輸船快一倍。 3）德國一家公司開發(fā)了一種利用永磁體的磁力運(yùn)輸、提升人、煤、礦石并可混裝的運(yùn)輸系統(tǒng)，可以避免燃燒爆炸等事故。 （8）在醫(yī)療技術(shù)方面的應(yīng)用 生物磁學(xué)是研究了與應(yīng)用物質(zhì)磁性及磁場生物特性，生命之間的關(guān)系及其相互影響，以及它們之間規(guī)律特性的科學(xué)。 應(yīng)用不同強(qiáng)度或不同類型的磁場，對生物體會引起不同的反應(yīng)。實驗證明，磁場可以作為形成各類條件反射的因素，同時也可形成抑制其它條件反射的抑制刺激。 目前已探測到人體具有心、腦、神經(jīng)、眼、視網(wǎng)膜、肌、肝、腹、肢及頭皮等磁場。所以可以利用磁場作用治病。例如，磁場具有鎮(zhèn)痛作用，鎮(zhèn)靜解痙作用、消腫作用、降壓作用、降脂作用、止瀉作用等。 國外應(yīng)用磁性液體與磁控技術(shù)對有的疾病治療取得進(jìn)展。 1）作為手術(shù)載體將磁性液體注入到動脈血管，再用外加磁場將磁性液體吸引到給供腫瘤血液的入口處，在該處形成“血栓”切斷對腫瘤血液的供給，使腫瘤枯萎，壞死，脫落。美國有治療腎上腫瘤與舌癌的成功事例。 2）作為藥物載體將磁性液體作為藥物的載體，治療腫瘤，國外有治療胃潰瘍和動脈瘤的病例。 3）作為穴位的刺激因子用永磁粉末做成磁注射劑，注入到小白鼠有關(guān)穴位，然后充磁，設(shè)想通過對穴位的刺激作用，調(diào)整神經(jīng)機(jī)能，達(dá)到治療作用等。 近年來，我國市售的磁療程保健用品，磁腰帶、磁瘦身（減肥）機(jī)，磁鞋，磁增高器等到處可見。隨著磁療機(jī)理的進(jìn)一步了解和應(yīng)用，磁療保鍵用品將有寬廣的市場。 （9）在微型技術(shù)中的應(yīng)用 隨著電子產(chǎn)品向小型化、輕量化、高穩(wěn)定、高可靠方向發(fā)展，微波毫米波器件應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，各種小型平面器件，如磁性薄膜器件、毫米波微帶鐵氧體器件、鰭線鐵氧體器件、磁性集成器件以及與MIMIC電路相匹配的新的鐵氧體元器件將不斷研制和開發(fā)出來，并有其廣泛的應(yīng)用前景。 （10）納米磁性技術(shù)的研究與興起 納米技術(shù)是指在納米(1nm=109m)尺度范圍內(nèi)認(rèn)識和改造世界的一門嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù)。最近經(jīng)理論計算與實驗測定證明了某些原子團(tuán)簇的磁性與大塊材料或單個原子的磁性不同。值得注意的是非磁性的固體當(dāng)維數(shù)減小到以團(tuán)族形式存在時，將呈現(xiàn)出鐵磁性。這將給鐵磁理論和磁性應(yīng)用帶來突破性的進(jìn)展。實驗表明，納米材料在力、熱、光磁、吸波和敏感等方面具有比通常結(jié)構(gòu)下的同成份材料特殊得多的性能。 1）理想的吸收材料：納米材料遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長，其透波性和對電磁波的吸波效率比粗粉或塊狀物大得多，粒度越細(xì)，吸波越好。納米磁性材料磁損大，因而用來制作紅外檢測元件、紅外吸波材料。采用金屬、鐵氧體等超微粉與聚合物形成的O3型復(fù)合材料和采用多層結(jié)構(gòu)和22型復(fù)合材料可衰減電磁波和聲波，減少反射和散射，在電磁“隱身”應(yīng)用方面取得良好效果。 2）新型的磁記錄材料：粒徑為16nm的超微鐵粉的矯頑力（HC）比塊狀鐵的HC高1000倍，用(23)nm尺寸的Fe2O3作存儲器，將比現(xiàn)有的磁介質(zhì)的存儲器密度提高1萬倍。目前國內(nèi)外正在研制典型的納米級六角晶系鋇鐵氧體的垂直磁記錄介質(zhì)。納米磁記錄材料不僅可以獲得高的HC，而且可獲得均勻的薄磁層，表面光滑、信噪比高。 3）納米巨磁阻（GMR）材料：它與高溫超導(dǎo)類似，它將對信息技術(shù)、汽車制造技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。利用GMR可使計算機(jī)磁盤存儲能力提高30倍，即可使每平方英寸計算機(jī)磁盤信息存儲能力增加到100億位?？捎眠@類材料做汽車