磁在传统工业中的应用

在传统工业中的应用：在讲述磁性材料的磁性来源、电磁感应、磁性器件时，我们已经提到了有些磁性材料的实际应用。实际上，磁性材料已经在传统工业的各个方面得到了广泛应用。例如，如果没有磁性材料，电气化就成为不可能，因为发电要用到发电机、输电要用到变压器、电力机械要用到电动机、电话机、收音机和电视机中要用到扬声器。众多仪器仪表都要用到磁钢线圈结构。这些都已经在讲述其它内容时说到了。生物界和医学界的磁应用：信鸽爱好者都知道，如果把鸽子放飞到数百公里以外，它们还会自动归巢。鸽子为什么有这么好的认家本领呢？原来，鸽子对地球的磁场很敏感，它们可以利用地球磁场的变化找到自己的家。如果在鸽子的头部绑上一块磁铁，鸽子就会迷航。如果鸽子飞过无线电发射塔，强大的电磁波干扰也会使它们迷失方向。在医学上，利用核磁共振可以诊断人体异常组织，判断疾病，这就是我们比较熟悉的核磁共振成像技术，其基本原理如下：原子核带有正电，并进行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用，如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子核，不能维持这种状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱的能量，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之时进行空间分辨，就得到运动中原子核分布图像。核磁共振的特点是流动液体不产生信号称为流动效应或流动空白效应。因此血管是灰白色管状结构，而血液为无信号的黑色。这样使血管很容易软组织分开。正常脊髓周围有脑脊液包围，脑脊液为黑色的，并有白色的硬膜为脂肪所衬托，使脊髓显示为白色的强信号结构。核磁共振已应用于全身各系统的成像诊断。效果最佳的是颅脑，及其脊髓、心脏大血管、关节骨骼、软组织及盆腔等。对心血管疾病不但可以观察各腔室、大血管及瓣膜的解剖变化，而且可作心室分析，进行定性及半定量的诊断，可作多个切面图，空间分辨率高，显示心脏及病变全貌，及其与周围结构的关系，优于其他X线成像、二维超声、核素及CT检查。磁不仅可以诊断，而且能够帮助治疗疾病。磁石是古老中医的一味药材。现在，人们利用血液中不同成分的磁性差别来分离红细胞和白细胞。另外，磁场与人体经络的相互作用可以实现磁疗，在治疗多种疾病方面有独到的作用，已经有磁疗枕、磁疗腰带等应用。用磁铁作成的除铁器可以去除面粉等中可能存在的铁末，磁化水可以防止锅炉结垢，磁化种子可以在一定程度上使农作物增产。天文、地质、考古和采矿等领域的磁应用：我们已经知道，地球是一块巨大的磁铁，那么，它的磁性来自何处？它是自古就有的吗？它和地质状况有什么联系？宇宙中的磁场又是如何的？至少在图片上我们都见过灿烂的北极光。我国自古代就有了北极光的记载。北极光实际上是太阳风中的粒子和地磁场相互作用的结果。太阳风是由太阳发出的高能带电粒子流。当它们到达地球时，与地磁场发生相互作用，就好象带电流的导线在磁场中受力一样，使得这些粒子向南北极运动和聚集，并且和地球高空的稀薄气体相碰撞，结果使气体分子受激发，从而发光。太阳黑子是太阳上磁场活动非常剧烈的区域。太阳黑子的爆发对我们的生活会产生影响，例如使得无线电通信暂时中断等。因此，研究太阳黑子对我们有重要意义。地磁的变化可以用来勘探矿床。由于所有物质均具有或强或弱的磁性，如果它们聚集在一起，形成矿床，那么必然对附近区域的地磁场产生干扰，使得地磁场出现异常情况。根据这一点，可以在陆地、海洋或者空中测量大地的磁性，获得地磁图，对地磁图上磁场异常的区域进行分析和进一步勘探，往往可以发现未知的矿藏或者特殊的地质构造。不同地质年代的岩石往往具有不同的磁性。因此，可以根据岩石的磁性辅助判断地质年代的变化以及地壳变动。很多矿藏资源都是共生的，也就是说好几种矿物质混合的一起，它们具有不同的磁性。利用这个特点，人们开发了磁选机，利用不同成分矿物质的不同磁性以及磁性强弱的差别，用磁铁吸引这些物质，那么它们所受到的吸引力就有所区别，结果可以将混在一起的不同磁性的矿物质分开，实现了磁性选矿。军事领域的磁应用：磁性材料在军事领域同样得到了广泛应用。例如，普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都是钢铁制造的，在它们接近（无须接触目标）时，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。在现代战争中，制空权是夺得战役胜利的关键之一。但飞机在飞行过程中很容易被敌方的雷达侦测到，从而具有较大的危险性。为了躲避敌方雷达的监测，可以在飞机表面涂一层特殊的磁性材料吸波材料，它可以吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电磁波很少发生反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，不能发现飞机，这就使飞机达到了隐身的目的。这就是大名鼎鼎的“隐形飞机”。隐身技术是目前世界军事科研领域的一大热点。美国的F117隐形战斗机便是一个成功运用隐身技术的例子。在美国的“星球大战”计划中，有一种新型武器“电磁武器”的开发研究。传统的火炮都是利用弹药爆炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮弹迅速加速，推出炮膛。而电磁炮则是把炮弹放在螺线管中，给螺线管通电，那么螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力，将炮弹射出。这就是所谓的电磁炮。类似的还有电磁导弹等。 （2）在农业中的应用 当水以一定流速，垂直于不同强度的磁场方向流过时，则可获得不同强度的磁化水。用适当强度的磁化水处理农作物的种子、喂养家禽家畜，可提高农作物和家禽家畜的产量和质量。如有人用磁场强度为1500A/m的磁化水浸泡水稻种子、可增产(1520)，用2000A/m磁化水喂鸡，每只鸡多产蛋（79)个，且每个蛋增重15g。用3000A/m的磁化水喂猪，猪平均增重37，用来喷洒土豆、萝卜，每亩可增产(3540)kg。 （3）在节能方面的应用 利用稀土永磁电机没有激磁线圈和铁心、没有损耗、不发热等特点来代替常用电动机，可缩小体积、减轻重量、提高效率。如在汽车中用永磁电机替代传统的电机，可使体积减轻4070，效率提高50以上，并可节铜节电。将电气设备中大量使用的电磁开关、电磁阀的电磁铁换成永磁体，可节电90以上。 利用磁悬浮原理制成新型无摩擦的轴承取代传统轴承，其能耗可降低90以上。 利用磁流体发电，当高温高速气流通过强磁场时，气流由于高温电离变成等离子导电流体切割磁力线而产生感应电势和电能。其发电效率比传统的水力、火力、核能发电提高(5060)，一个一百万kW的磁流体发电厂，年节煤可达一百万吨，造价仅为火力发电厂的14。 （4）在环保方面的应用 1）随着电子技术的迅猛发展以及各种通讯、家用电器、办公自动化等电子设备的日益普及应用，电磁波的辐射与泄漏问题愈来愈严重，它不仅对电子设备本身产生严重的电磁波干扰，同时威胁着人类的身心健康，已成为严重的环境污染源。研制与开发不同的磁性吸收材料做成元器件和涂料来防止电磁波辐射、信号窜扰等，以达到环境免受电磁污染的目的。 2）目前90能源来自煤、石油和天然气的燃烧。而燃烧所产生的多种有害气体的排放会污染环境。如把磁化节油减烟器、燃油增能器用于燃油燃气设备中，在燃料未燃烧前进行磁化，促使油、氧分子链断裂雾化，使之充分燃烧，提高燃烧效率，可节油气10左右。由于燃烧温度升高，发电机重力增加，CO、NO等有害气体排放减少（2565），减烟率达50以上。如用高梯度磁分离器，可有效地除去煤粉、煤浆中的硫化物，大量减少二氧化硫气体的排放量，脱硫率可达(8095)，灰分减少（3070），煤的回收率可达（8590）。 （5）在高能武器方面的应用 1）激光炮：在激光武器系统中有许多磁光器件。如：磁光隔离器、磁光调制器、磁光环行器、磁光旋转器、磁光开关、磁光移机器等关键器件。美、俄、日等国都投入了大量的人力物人进行研制。 2）电磁炮：是利用电磁力（洛伦茨力）通过加速器将电磁能转化为弹丸的动能，并以高达（1020）km/s的高速从发射器发出。电磁发射的推力大约为火药的10倍。所发射的炮弹速度高、射程远、精度高、穿透力强。美国已研制出两门低能样炮，将来，电磁炮的速度可能高达100km/s。 3）高功率微波武器：据报道原苏联已研制成一种专用于防空的微波武器，其辐射功率为1GW,作用距离(110)km，主要用来保护防空中心，并且有抗反辐射导弹的功能。整套设备重13吨，分装在三辆越野车上。该系统应用了多种磁性微波器件。 （6）在防空导弹系统中的应用 1）80年代初，美国西屋电器公司为空军主力战斗轰炸机研制了捷变技术雷达（EAR），装备B1B和B52型轰炸机。EAR相控阵天线使用1818个铁氧体移相变极化的辐射单元，由铁氧体移相段产生相移，再由铁氧体变极化器来实现极化转换。 2）在海湾战争中，美国“爱国者”防空导弹系统中采用了C波段相控阵雷达ANMPQ53（SAMD）与火控雷达相联，雷达天线是八个大小不一，形状不同，用途各异的天线阵，主天线由5161个四位锁式非互易铁氧体移相器组成，还有五个51个辐射单元的小阵列天线作为旁瓣抵消，以减少敌方干扰。在栏截伊军“飞毛腿”导弹中大显身手。现在应用铁氧体移相器的相控阵雷达有几十种，采用频段有S、C、X、Ku波段。 （7）在交通运输方面的应用 由于超高磁能积稀土永磁体和室温超导体的出现，研制出新一代交通运输工具。 1）磁悬浮列车:磁悬浮列车，是借助于磁力来悬浮、导引与驱动车辆。其特点是它没有车轮，而依靠电磁作用力把车辆悬浮在导轨上方，行走时，除与空气磨擦外，没有轮接触所带来的阻力。其推动力为直线电机，在高速行驶时，就像一架超低空飞行的飞机。时速可达(5001000)km。由于磁悬浮列车无机械接触、噪声低、速度高、安全、平稳、不污染环境、节省能源，所以是一种理想的绿色交通工具。 2）日本制成时速180kg的第一艘超导试验船，该船没有螺旋浆，由超导磁力推进，船身30m,重280吨，时速比现在最快的运输船快一倍。 3）德国一家公司开发了一种利用永磁体的磁力运输、提升人、煤、矿石并可混装的运输系统，可以避免燃烧爆炸等事故。 （8）在医疗技术方面的应用 生物磁学是研究了与应用物质磁性及磁场生物特性，生命之间的关系及其相互影响，以及它们之间规律特性的科学。 应用不同强度或不同类型的磁场，对生物体会引起不同的反应。实验证明，磁场可以作为形成各类条件反射的因素，同时也可形成抑制其它条件反射的抑制刺激。 目前已探测到人体具有心、脑、神经、眼、视网膜、肌、肝、腹、肢及头皮等磁场。所以可以利用磁场作用治病。例如，磁场具有镇痛作用，镇静解痉作用、消肿作用、降压作用、降脂作用、止泻作用等。 国外应用磁性液体与磁控技术对有的疾病治疗取得进展。 1）作为手术载体将磁性液体注入到动脉血管，再用外加磁场将磁性液体吸引到给供肿瘤血液的入口处，在该处形成“血栓”切断对肿瘤血液的供给，使肿瘤枯萎，坏死，脱落。美国有治疗肾上肿瘤与舌癌的成功事例。 2）作为药物载体将磁性液体作为药物的载体，治疗肿瘤，国外有治疗胃溃疡和动脉瘤的病例。 3）作为穴位的刺激因子用永磁粉末做成磁注射剂，注入到小白鼠有关穴位，然后充磁，设想通过对穴位的刺激作用，调整神经机能，达到治疗作用等。 近年来，我国市售的磁疗程保健用品，磁腰带、磁瘦身（减肥）机，磁鞋，磁增高器等到处可见。随着磁疗机理的进一步了解和应用，磁疗保键用品将有宽广的市场。 （9）在微型技术中的应用 随着电子产品向小型化、轻量化、高稳定、高可靠方向发展，微波毫米波器件应用范围日益扩大，各种小型平面器件，如磁性薄膜器件、毫米波微带铁氧体器件、鳍线铁氧体器件、磁性集成器件以及与MIMIC电路相匹配的新的铁氧体元器件将不断研制和开发出来，并有其广泛的应用前景。 （10）纳米磁性技术的研究与兴起 纳米技术是指在纳米(1nm=109m)尺度范围内认识和改造世界的一门崭新的综合性科学技术。最近经理论计算与实验测定证明了某些原子团簇的磁性与大块材料或单个原子的磁性不同。值得注意的是非磁性的固体当维数减小到以团族形式存在时，将呈现出铁磁性。这将给铁磁理论和磁性应用带来突破性的进展。实验表明，纳米材料在力、热、光磁、吸波和敏感等方面具有比通常结构下的同成份材料特殊得多的性能。 1）理想的吸收材料：纳米材料远小于红外及雷达波波长，其透波性和对电磁波的吸波效率比粗粉或块状物大得多，粒度越细，吸波越好。纳米磁性材料磁损大，因而用来制作红外检测元件、红外吸波材料。采用金属、铁氧体等超微粉与聚合物形成的O3型复合材料和采用多层结构和22型复合材料可衰减电磁波和声波，减少反射和散射，在电磁“隐身”应用方面取得良好效果。 2）新型的磁记录材料：粒径为16nm的超微铁粉的矫顽力（HC）比块状铁的HC高1000倍，用(23)nm尺寸的Fe2O3作存储器，将比现有的磁介质的存储器密度提高1万倍。目前国内外正在研制典型的纳米级六角晶系钡铁氧体的垂直磁记录介质。纳米磁记录材料不仅可以获得高的HC，而且可获得均匀的薄磁层，表面光滑、信噪比高。 3）纳米巨磁阻（GMR）材料：它与高温超导类似，它将对信息技术、汽车制造技术产生深远影响。利用GMR可使计算机磁盘存储能力提高30倍，即可使每平方英寸计算机磁盘信息存储能力增加到100亿位。可用这类材料做汽车