【磁的应用】[科普]

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磁在收音机中的应用

  　　收音机用到多种磁性材料和磁性器件。例如，收音机中都要使用电声喇叭把电信号变成声音，而一般最常用的电声喇叭便是永磁式电声喇叭。这种喇叭的结构示意图如图1所示，收音机所收到的电台发射机已将声音转换成的电信号，在受到电声喇叭中永久磁铁的磁场作用而使电线圈振动发声。这样便将电台发射的已转换为电信号的声音复原了。电声喇叭中的永久磁铁的磁场在这种电-声转换中起了重要的作用。喇叭则将电线圈的振动发声放大。另外在收音机中转换高频率的电信号和低频率的电信号也都需要使用多种的高频变压器和低频变压器，这些变压器也需要使用多种的磁性材料。

　　为了提高收音机的灵敏度和接收距离，需要使用天线。如果利用磁性材料制成磁天线，不但可以显著减小天线的尺寸，而且还可以显著提高收音机的灵敏度。这种磁天线的性能既同天线的设计有关，又同磁性材料的磁特性有关。

　　收音机工作时需要使用电源。有使用电池作电源的，也有使用交流电源的。在使用交流电源时，又需要使用变压器来改变电压。变压器也需要采用磁性材料。

　　这样可以看出，我们使用的收音机虽然体积很小，但是却离不开磁性材料，和用多种磁性材料制成的多种磁性器件。

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磁在电视机中的应用

　　电视机是我们生活中经常应用的另一种电器。磁在电视机中的应用也是相当多的。同收音机相比较，电视机不但能听到声音，而且能看到活动的图像。在彩色电视机中还能看到色彩鲜艳逼真的彩色活动图像。因此电视机要应用比收音机更多数量、更多种类和更多功能的磁性材料和磁性器件。具体说来，电视机除了也使用收音机所使用的多种磁变压器和永磁电声喇叭外，还要使用磁聚焦器、磁扫描器和磁偏转器。 　
　 电视机的结构和工作原理是很复杂的。这里只简单地介绍磁在电视机中的作用。关于电视机中的声音部分基本上同收音机相似，这里就不再介绍，而只说明同活动图像相关的磁的应用。电视机中的活动图像的放映是在显像电子管中进行的。电视台将活动图像转换成电信号后通过无线或有线传送到电视接收机(简称电视机)中，经过一定的电信号变换和处理后再传送到显像管中。在显像管中，反映活动图像的电子束经过磁聚焦器、磁扫描顺和磁偏转器的磁场聚集、扫描和偏转作用后投射到显像管的荧光屏上转换为光的活动图像。图2示出电视机显像管应用的磁聚集器和磁偏转器的示意图。图中虚线为偏转的电子束。可以看出磁在电视机中的应用是很多的。彩色电视机由红、绿、兰3个基色信号组成彩色活动图像，因此显像管中含有3组电子束及它们的磁聚焦、磁扫描和磁偏转磁器件。再将3种基色活动图像合成彩色图像。因此，彩色电视的设备和成像过程等都更为复杂。但却都是采用一定的磁场来控制电子束的运动而完成成像的。

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磁在磁录音机和磁录像机中的应用

  　　磁录音机是将声音通过声音、电流、磁场和物质磁性之间的转换而把声音记录到由磁性材料制成的磁记录带(简称磁带)上。这称为录音过程，或称磁录音。如果需要把磁带上录制的声音再放出来，则通过与磁录音相反的过程，即通过磁带的磁性→磁场→电流→声音之间的转换而把磁性再转换为声音。这称为磁放音过程，或称磁放音。这种磁录音和磁放音的过程分别显示在图3中(a)和(b)示意图中。这种磁录音和磁放音的原理和过程可以简述如下：在录音时[图3(a)]，声音通过话筒，将声波振动转换为电流信号的相应变化，再通过电流放大器将电流信号放大后传送到录音磁头的电流线圈中，线圈中的带有很小空气隙的磁芯便会受电流线圈中的电流磁化，而在磁芯的空气隙中产生与电流、声音相对应的磁场。这一磁场使磁带上磁记录介质受到磁化而产生相对应的磁化强度。当这部分磁记录介质离开录音磁头的空气隙磁场后，便保留一定的剩余磁化强度，称为剩磁。这剩磁的大小同所要记录的声音强弱相对应。在放音时[图3(b)]，其过程是磁带移动通过放音磁头的空气隙时，磁带上的剩磁变化在空气隙中产生同剩磁相对应的磁场变化，在放音磁头中产生相对应的磁化强度变化，因而在放音磁头的电流线圈中产生相对应的电流变化，这电流变化经放大器放大后送入声喇叭即将电流变化转变为声音。这一放音过程是同录音过程相反的逆过程。

　　磁录像机是同磁录音机相似的家用电器。它们之间的主要差异是：磁录音机为声-电-磁之间的转换，而磁录像机为光-电-磁之间的转换，正像收音机与电视机之间的差异。

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磁在新型汽车中的应用

　　汽车是现代的一种重要交通工具。一般汽车中使用的电话、收音机和电视机中都要应用到多种的磁性材料和磁性器件。在现代一些新型汽车中磁的应用就更加增多。例如现代一种新型家用小汽车便使用了32台小型永磁电动机，它们分别应用于时钟步进电机、录音机走带机械、电子计价器步进电机、电控反光机、车高调整泵、自动车速调节泵、起动电机、可伸缩车前灯、车前灯冲洗器、水箱冷却风扇、电容器冷却风扇、活门控制、颈部防损控制、车前灯擦净器、前窗冲洗器、前部擦净器、后窗冲洗器、后部擦净器、电动车窗、油泵、汽车门锁、可调减振器、空气净化器、后部空调器、汽车天线、遮阳车顶、大腿支撑泵、侧面支撑泵、气动腰部支撑泵、座椅斜倚器、座椅升降器、座椅移动器、真空泵、空气调节器、室温传感器、暖风机。图4是这种汽车使用的各种小型永磁电动机的示意图。

　　除上述的几种家用电器需要使用多种的磁性材料和磁性器件外，还有许多家用电器也要应用到磁，例如，电冰箱中的磁门封条和电动机，洗衣机、空调器、除尘器和电唱机中用的电动机，微波炉中用的磁控管，电门铃中用的电磁继电器，电子钟表中用的小型微型电动机等。可以看出，现代生活离不开磁。

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磁在发电机和电动机中的应用

　　我们生活在电气化时代。但是电能是如何得到的？一般说来，电能是从其他能量如热能、水的动能、原子能等转换成电能的，即先将这些能量通过热机或水力机转换为机械(动)能，再把机械能转换为电能。这种将机械能转换为电能的机械称为发电机。为了减少电能在长途传送途中的损失，必须将电能的电压提高、电流减小，这就需要把电压升高的升压变压器，或称高压变压器。当电能经高压输送到使用地后，为了使用方便和用电安全，又必须把高压电的电压降低。这就需要把电压降低的降压变压器，或称低压变压器。不论升压变压器或降压变压器都离不开磁的应用。在电能应用中，很多是应用于动力机械，这就是将电能转换为机械(动)能。将电能转换为机械动能的机械称为电动机。

　　发电机是由磁铁系统、在磁性材料上绕有电流线圈的电枢和使电枢转动的转动机械构成的。发电机工作时，转动机械使电枢旋转，电枢上的线圈在磁铁系统产生的磁场中旋转，切割磁场的磁力线时，根据电磁感应作用原理，便会在线圈中产生感应电动势，在这电流线圈为通路时便会产生电流。这样发电机便开始发电了，图5(a)便是发电机的工作原理图。
　　电动机的构造是同发电机的构造相似的，也是由磁铁系统、在磁性材料上绕有电流线圈的电枢和使电枢转动的转动机械构成。但电动机工作时，是从外部电源在电枢的电流线圈中通过电流，根据电动机作用原理，电枢便会受磁场作用而转动。图5(b)便是电动机的作用原理示意图。

　　变压器的构造是在磁性材料制成的磁芯上绕上两组通电流的线圈，称为绕组，其中一组是输入电流，称为输入绕组或称初级绕组；另一组是输出电流，称为输出绕组或称次级绕组。输入电压和电流通过电磁感应使变压器磁芯磁化，磁化的变压器磁芯又通过电磁感应使次级绕组产生输出电压和电流。根据电磁感应原理，输入电压与输出电压之比同输入绕组匝数与输出绕组匝数成正比，而输入电流与输出电流之比则同输入绕组匝数与输出绕组匝数成反比。

　　从发电机、电动机和变压器的结构和工作原理都可以看出：磁的使用都是十分重要和不可缺少的。但同时也应特别注意，磁的作用只是在发电机、电动机和变压器的能量变换和转移中起着重要的作用，它并没有产生能量。

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磁在磁浮列车中的应用

　　当前许多国家都在为提高陆地交通运输的速度、减少甚至消除汽车燃料对环境的污染而进行着多方面的研究和试验。磁浮列车和磁储氢汽车的研究、试验和初步应用便是其中之一。

　　目前一般火车的速度只有每小时约几十公里到上百公里，在多方面采取一些改善措施后可以提高到每小时约100~200公里或稍高一些。但是由于火车速度越高，火车车轮与铁轨之间的摩擦也越大，这就限制了火车速度的进一步提高。如果能够使火车从铁轨上浮起来，消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦，不就能很大地提高火车的速度吗？但是如何使火车从铁轨上浮起来呢？一般说来有两种可能的浮起方法。一种是气浮法，就是使火车向铁轨下的地面大量高速喷气而利用其反作用力把火车从铁轨道上浮起，但这样会激扬起大量尘土和产生很大噪声，都会对环境造成尘土和噪声污染而不能采用。另一种是磁浮法，就是利用火车与铁路轨道之间的磁作用力使火车从铁轨上浮起来，这样既不会场起尘土，也不会产生喷气噪声，因而是一种提高火车速度的好方法。那么磁浮列车(也称磁悬浮列车)是怎样工作的呢？图6是北京中国科学技术馆中的磁浮列车图，在馆中可以看到磁浮列车是怎样在铁轨上运行的。图7是磁浮列车浮起运行的原理示意图，左图是利用列车上磁铁与铁轨上磁铁的不同磁极性之间的磁吸引力而浮起，右图是利用列车上磁铁与铁轨上磁铁的相同磁极性之间的磁排斥力而浮起。又列车上磁铁与铁轨两侧的相同磁极性之间的磁排斥力则使列车保持居中位置，不致左右偏移。我国已建成的有四川都江堰市青城山旅游区和上海市浦东的磁浮列车等。还可能建设北京至天津的长途磁浮列车。磁浮列车所用的产生磁场的磁体或称磁铁可以采用永磁体，一般由磁体或超导磁体或它们组合的复合磁体等。磁浮列车的优点较多，例如运行平稳，舒适性好；安全性高；速度调节范围宽，可适用于不同的距离和不同的要求；噪声低，既无铁轨与车轮的摩擦噪声，又无传动和滚动噪声；平时由计算机对电力和电子设备进行检测，不需要一般火车的机械等例行检修，故维护费用低。但是，修建磁浮铁路和制造磁浮列车的初投经费却是很高的。

　　目前尚处于研究和试验中的磁储氢汽车是另一类具有土特优势的磁交通设备。因为目前使用的汽车所用的燃料汽油在燃烧时产生的废气会造成环境污染，汽油的来源石油在地球上是有限的，因此研究和应用在汽车上既无污染、来源又丰富的新的汽车燃料便成为当前的一个重要问题。这问题是否也可以从磁科学技术来解决呢？利用磁储氢材料作汽车燃料就是一个重要的解决途径。什么是磁储氢材料？磁储氢材料有什么特点？从科学研究知道，氢是一种无污染或严格说污染极微小的燃料，可供燃烧的单位质量的能量密度很高。根据科学推算，地球上的石油储量只够用较短时期，但氢含有的作为燃料的化学能和作为热核聚变能源的核聚变能却可供使用约1千亿(1011)年，这比地球的年龄还要长，大约相当于宇宙演化年龄，甚至更长。但是要在汽车中使用氢的化学能，却不能简单地使用纯气态氢或纯液态氢作燃料。这是因为纯气态氢的体积太大，而且纯气态氢和纯液态氢都有易燃烧爆炸的安全问题。如果使用固态储氢材料，即将氢以固态化合物的组元形态存储在固态材料中，然后在一定的条件下释放出气态氢用作汽车燃料。在固态储氢材料中，磁性材料和含强磁性元素的化合物的磁储氢材料占有重要的地位。例如常用的储氢材料就有镍－镁－氢化物(NiMgH4)、铁－钛－氢化物(FeTiH1.95)和镧－镍－氢化物(LaNi5H7)等。目前已经进行过在汽车中应用磁储氢器的许多试验。这些磁储氢器在使用一定时间后，又需要在一定条件下进行再充氢气。这就像蓄电池在使用一定时间后需要进行再充电一样。不过目前的磁储氢器的不足之处是磁储氢材料的重量还较大，还需要进一步减轻磁储氢材料的重量。还有即将在汽车中应用的氢燃料电池，虽未用到磁，却也是值得关注的。

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磁在高能加速器和对撞机中的应用

　　在科学研究和高新技术中，磁的应用是多种多样和十分重要的。这里仅以基本粒子物理学、原子核物理学和高能物理学中应用的高能加速器和高能粒子对撞机中磁的一些应用为例加以说明。

　　在对物质微观结构研究中，研究的物质结构越深入，所需要的能量也越高。高能加速器和高能粒子对撞机可以把微观物质如氢原子核(质子)和带电的基本粒子如电子等加速到很高的速度，使它们得到很高的能量，像炝弹一样进入所要研究的微观物质或粒子内部，或将这些微观物质轰击成碎片，以便研究其内部构造。但是，如何约束带电的高能粒子束，使它们能沿着预定的轨道去轰击目标？或者使两束带电粒子沿着预定的轨道相互碰撞(称为对撞)，从而研究它们的微观结构呢？这就需要磁场了。

　　磁场为什么能够控制和约束高能带电粒子的运动呢？这就是磁场的洛伦兹力的使用。什么是洛伦兹力？洛伦兹力是磁场对运动的带电粒子的作用力。这作用力的大小和方向与磁场的强弱和方向及带电粒子的电荷量及运动速度的快慢和方向都有关。中国科学院高能物理研究所建的北京正负电子对撞机的注入器(图9)和探测器——北京谱仪(图10)，都需要磁场来控制和约束带电的电子、正电子和其它带电粒子的运动。

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定向能电磁辐射武器和电磁炮

  　　定向能电磁辐射武器是利用高度定向高能量的从电磁波到光波的电磁辐射使敌方的人员和电子武器等受到伤害。自由电子激光器和自由电子微波激射器便是其中一类新的定向能辐射武器，其主要结构和工作原理的示意图如图11所示：由电子束源(1)产生的自由电子束进入电子加速器(2)，在加速器中受到高电压的加速作用。被加速的自由电子具有很高的能量。这些高能自由电子束经过磁场(3)作用可以改变其运动方向，并进入扭轨磁场(4)(或称扭摆磁场)中。扭轨磁场是由一组磁场方向不断反向的永磁铁组成，它构成具有特定的强度和方向、一定分布规律和空间周期的磁场系统。高能自由电子在这扭轨磁场中受到这种磁场的作用而作扭摆式运动。同时由主振荡器(5)产生的电磁波(光波或微波)通过共振腔与电子束作同向运动。在扭轨磁场的作用下，高能电子束向这电磁波输送能量，从而使电磁波受到放大作用而使电磁波能量增强。改变扭轨磁场的参量和其他相关参量，便可以改变自由电子激光器和微波激射器的波长和输出功率。这种自由电子激光器和微波激射器具有很高的功率、良好的相干性和超短的脉冲，因而可在高能量高定向电磁辐射(光波和微波)武器中得到应用。

　　电磁炮是利用强脉冲电磁能来发射炮弹，而一般炮是利用火药的化学能来发炮弹的。电磁炮在发射炮弹时在炮弹中通过强脉冲电流，并在发射架的强脉冲磁场的同时作用下受到强大的推动力而发射出去（见图12）。也可以利用相同的原理来发射电磁导弹，其费用低于一般火箭发射。但电磁炮和电磁导弹都还处于试验阶段。

雕刻时光-53

补充一份磁学基础资料，大家做个参考。

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科普和基础都要看