磁铁的魔力

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铜酸铜YBA_2CU_3O_7(蓝色:Cu,棕色:Y,绿色:Ba,红色:O)的基流结构,其是高温超导体。图片礼貌Wikimedia Commons

作为一个小女孩,我可以花几个小时玩我父母的冰箱贴。我曾经假装一块磁铁是一根魔杖,可以让另一块通过超自然的力量来回移动和旋转。磁力似乎很神奇,因为它是如此神秘,但我想知道它是如何工作的。

在高中的时候,我了解到磁性与电是内在地交织在一起的,甚至原子,所有物质的组成部分,也可以具有磁性。当我在大学开始学习物理课程时,我继续学习磁力。随着我的进步,我学习的材料变得更加基础;在我的教科书中,信息更多地出现在希腊符号的等式中,而不是书面英语。每一次的教训都让我越来越清楚地认识到,我父母的冰箱贴并不是什么超自然的东西。然而,一块磁铁拉着或推着另一块磁铁或一块金属的感觉比以往任何时候都更迷人。

磁力中最基本和照明的概念之一是磁场的概念。科学家使用这种概念来描述磁铁如何能够影响远处物体的运动。基本思想是所有磁铁都会在它们周围的空间中发出一个字段,并且该字段会影响其他对象的运动。科学家喜欢使用称为磁场线的概念工具来可视化磁场。如果在Google Image上或在介绍物理教科书中查找“磁场”,则这些线路通常在卡通条磁铁上描绘,其北极和南极标记为“N”和“S”。现场线是从北极散发出来的实线,并在磁铁旁边的弧线向南极行驶。沿线箭头标志着他们的路径的方向,总是从北极向外运行并向南极向内弯曲。

考虑在其中点握住一个小条磁铁,靠近一个更大的棒状磁铁,其散发出磁场线。较小的磁铁将旋转,使其北极尽可能靠近较大磁铁的南极。小磁铁的南极的方向是该位置较大磁铁磁场的方向。

除了具有方向之外,由较大磁铁产生的场也将具有强度。该领域在磁铁附近最强,随着从源头移动而变弱。您可以在您需要拔出小型磁铁时留下难度以使其避免飞入大块磁铁以及如何更容易地将两个彼此保持相媲美。场线的密度与场的强度成比例;如果在区域中有更多的字段线,则该区域具有比较少线的字段更强的字段。

这些天我在一个有两个非常强大的磁铁的物理实验室工作。我们需要保持所有钢铁工具,如扳手和螺丝刀,距离较大的磁铁至少10英尺以防止它们飞入磁铁中。我们的门上的迹象警告人们用某些医疗植入物,如起搏器,实验室的电磁场可以对这些装置造成严重破坏。我喜欢在磁铁附近握住钢扳手,尽可能少,假装扳手浮动。如果我佩戴镀镍耳环,我可以在近距离扭转磁铁中的吸引力。我喜欢想象,基于这些拉动的感觉,现场线的外观如何看待。

我在这个实验室研究的材料属于一种被称为铜的人造超导体。如果你把超导体放在磁场中,超导体会以两种方式之一运动。所有超导体都有这样一个显著的特性:当它们浸入磁场时,磁场线完全避开它们。就像雨从伞上滑落一样,这些磁力线绕过超导体。然而,某些超导体,包括铜,会允许特定数量的磁力线穿透其表面。

想象一下,你的伞上有相同的洞(不是一个伟大的雨伞)。洞将通过在这些点来让雨滴通过,但在伞的曲线之后,您仍将拥有其他雨滴。在铜酸盐中,磁场线将通过超导体的某些点运行,仿佛这些点在它们中具有孔,而现场线的其余部分绕整个材料流动,就像它是现场的那样。磁场线穿透超导体的点称为涡流,它们可以形成称为涡旋格的有序图案。考虑涡旋格子的一种方法是将涡流视为以一定的重复模式排列的洞,使得如果您在连接相邻涡流的线条中,您将看到类似于瓷砖地板的东西。当我们在我们的一个强大的磁铁中放置一定的铜替代品时,我研究了这种模式。

这些涡旋晶格的形状,也就是上面类比中瓦片的形状,取决于磁场的强度。如果我们回到雨的比喻,磁场的强度与降雨量相似。一个较弱的磁场,即小雨,将产生一个不同的涡格(伞孔)模式,比一个较强的磁场或更强的降雨。例如,我研究的材料,在较弱的场中有一个三角形的涡格,但当我们增加场强度时,涡格会重新排列,形成一个重复的矩形图案。涡旋晶格的实验研究还有其他方法,但这些方法只能用于研究弱磁场中的超导体。我们实验方法的优势在于,它们允许我们研究某些最强领域的系统,这样我们就可以确定铜样品的强场和弱场行为。

人们经常问我为什么我的研究很重要,我经常不确定如何回答。我想他们的意思是“为什么我要关心你正在做的研究?”这也是一个艰难的。我通常给出一个模糊的答案,参考超级计算或开发超导性的实际用途。如果我要提供更完整的答案,我说我的研究目的是研究某些超导体的特定属性,因此科学家可以利用我的数据来了解对这些材料的理解。通过测量Vortex格子,我正在使用允许我们为那里映射最强的磁场来映射这些模式的方法来创建图案库。

但是,如果有人要问,“为什么你的研究对你很重要?”我的答案是我所做的研究让我周围的世界更加迷人和美丽 - 并使冰箱磁铁甚至比我7的时间更加神奇地玩。

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