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磁性冰箱贴里的有趣物理学

已有 14198 次阅读 2012-4-19 13:19 |系统分类:科普集锦| 物理学, 冰箱贴, 海尔贝克阵列

磁性冰箱贴是一个非常方便的小物件。它的一面是黑色的软胶磁铁,另一面是五彩缤纷的图画或者是个性设计。它能很方便地吸附在冰箱门上,为生活增添乐趣和带来方便。

但是这个其貌不扬的黑色的软胶磁铁,实际上暗藏玄机。如果你试图用冰箱贴的正面(图画的那一面)来吸附到冰箱门上时,却感觉不到任何吸附力。如果你有两块冰箱贴,你把它们的软胶磁铁面靠在一起,你会发现如下面这个视频中展示的现象。
[flash]http://you.video.sina.com.cn/api/sinawebApi/outplayrefer.php/vid=75234185_1907350525/s.swf[/flash]

在视频中,我们注意到,当两块冰箱贴以某个角度重叠时,能感受到很大的吸附力。如果试图相对移动着两块冰箱贴,就好像是在移动两块重合在一起的搓衣板,感受到一顿一顿的阻力。而以其他角度重叠两块冰箱贴,却能轻易地移动,而且它们之间的吸附力也不是很强。

上面提到的种种异常现象表明,冰箱贴后的软胶磁铁绝不简单。实际上,它是一种叫做“海尔贝克阵列 (Halbach Array)”的磁铁。这种阵列是按下图方式排列的:

(取自英文维基百科 Halbach array)
按照上面的这种排列方式有什么好处呢?好处是下表面的磁场几乎完全抵消了,而上表面的磁场强度增加了一倍,这磁场强度增强了的表面正是冰箱贴的背面。这样 它就能够更牢固地吸附在冰箱门上了。要了解为什么在上面的磁铁排列中,下表面磁场抵消,上表面磁场增强,可以看下面这个示意图:
 

如果小磁铁的磁极方向是从左到右顺时针旋转,那么上表面磁场增强;如果从左到右逆时针旋转,则上表面磁场减弱,下表面磁场增强。

这也就解释了视频中观察到的现象。见下面的示意图。实际中,两块冰箱贴大致移动0.5mm,就能从极强的排斥力到极强的吸附力。这表明冰箱贴后的软胶磁铁里磁场方向的转动周期大概是1 cm左右。


海尔贝克阵列在工业和科学中都有很多用处。比如无刷直流电机中用来加强磁场,从而增加电机扭矩。比如在加速器中,用来引导接近光速运动的电子束,从而产生大功率的自由电子激光。据说有一种磁悬浮列车的轨道也是用的这种磁铁阵列。总之,这是一种高效利用磁场的好办法。

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