11 强磁场

The tree of the electromagnetic processing of materials and saplings for a high static magnetic field
磁场装臵是凝聚态物理学领域的重要研究 工具，对当代化学、生物学甚至医疗领域有 着广泛的影响。而强磁场已成为现代物理研 究不可缺少的工具，利用它，我们可以发现 许多新的物理现象，或者对已知的现象作更 进一步的研究。尤其是随着我们对物质结构 研究的不断深入，强磁场发挥着越来越重要 的作用，在固态物理学、生物分子学、核聚 变与等离子物理研究等许多重大科学工程中 已成为必不可少的技术基础。
这是由于在磁场力的作用下空气中顺磁性氧的磁对流改变 了火焰附近的热对流. 在负的磁场梯度区, 和重力方向一致的向 下的磁场力加快了热和物质向火焰传递, 使火焰燃烧加速; 在正 的磁场梯度区, 磁场力和重力方向相反, 可能出现以下3种效果: 抑制热对流效果、零重力效果、火焰逆转效果(当磁场力大于重 力时). 因此, 可通过强磁场控制火焰附近空气的流动, 改变火焰的 形状和燃烧速度.
强磁场的作用
强磁场使具有磁各向异性的非铁磁性材料取向； 强磁场可以控制顺磁性流体的流动； 强磁场可使水、木材、塑料、抗磁性金属悬浮； 强磁场的应用从以铁磁性材料为主扩大到整个材料 领域； 强磁场研究涉及的领域包括：结晶凝固、粉末冶金、 电析、烧结、热处理、塑性加工、对流传热、液体 悬浮等；涉及的材料包括超导陶瓷材料、磁性材料、 高分子材料、金属材料等。
材料电磁加工技术
Electromagnetic Processing of Materials--EPM
房灿峰
fcf@dlut.edu.cn 84706114
第十一讲
强磁场及其在材料科学中的 应用
High Magnetic Field and Its Applications in Material Science
材料在电磁场作用下的电磁力：
F J B e E 0 M H P E
洛仑兹力 库仑力 磁化力 极化力
在磁场中的材料主要受洛仑兹力和磁化力的作用 χf≈103 χn≈10-3 χn /χf=10-6
磁感应强度的增加：103倍（0.01T→10T） F∝B2=(103)2=106 所以，F(χn ,B=10T)=F(χf ,B=0.01T)

法国



荷兰

中国

百特斯拉级磁场
强磁场的发展动态
我国脉冲磁场强度诞生新记录
2011年11月13日 08:28:26 来源： 科技日报 11月8日凌晨5时28分，华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心（筹）取得重要突破。 该中心自行研制的国内首个双线圈脉冲磁体成功实现了83特斯拉的磁场强度，刷新我 国脉冲磁场强度记录，使我国非破坏性磁场强度水平跃居世界第三、亚洲第一。 记者在现场看到，由于采用液氮冷却，测试完的圆柱状磁体表层结了厚厚一层冰。 该磁体高450毫米，直径为400毫米，磁体孔径14毫米，重达150公斤。磁体采用双线 圈结构，包括内外两个线圈，分别采用1.6兆焦耳和8兆焦耳共10个电容器模块供电。 与普通单线圈磁体相比，双线圈磁体能产生更高的场强，但其结构更加复杂、研制难 度更大，对电源和控制要求更高，是对脉冲强磁场工程技术的重要挑战。 11月7日下午3时，测试工作正式开始，电压从500伏逐步上升至5千伏、10千伏、15 千伏……22千伏，11月8日凌晨，在内线圈14.5千伏、外线圈22千伏的充电电压下，磁 体成功实现83特斯拉的峰值磁场，磁体、电源、控制系统工作状态一切正常。 特斯拉是磁感应强度的单位。高强度的磁场为科学研究提供了新的工具，能够为物 理、材料、化学等前沿基础研究发现新现象、揭示新规律提供更多机遇。使用10个电 容器模块同时供电、成功突破80特斯拉的磁场强度，全方位地验证了建设中的脉冲强 磁场实验装臵的可靠性，证明我国在脉冲强磁场的磁体技术、电源技术与控制技术等 方面已达到世界一流水平。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电磁铁磁体(Resistive Magnets) 稳恒磁场 连续磁场 超导磁体(Superconducting Magnets) 混合磁体(Hybrid Magnets) 时变磁场 稳恒强 磁场
磁场 脉冲磁场
磁感应强度 > 1T? 磁感应强度 > 10T
强磁场的发展动态
美国

日本
NHMFL实验室，31T水冷磁体，14.3T超导磁体，45T混合磁铁； Los Alamos实验室，60T长脉冲磁体（1997年）；
Macro structure of Al-18mass%Si alloy.
强磁场对燃烧现象的影响
•当磁场梯度等于零时, 火焰 燃烧正常; •大于零时, 火焰的形状被改 变, 燃烧被抑制; •而当磁场梯度小于零时, 火 焰的燃烧被加速
Effect of a magnetic field on a diffusion flame.
Magnetic properties of materials
强磁性体（铁磁材料）：铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每 个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。因此，在磁畴内磁 性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同 磁畴的磁性取向可能是随机排列的。当外加磁场去掉后，材料 仍会剩余一些磁场，这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁 化后，剩磁很大。 Fe, Co, Ni 中性体（顺磁材料）：顺磁性物质的磁化率为正值，物质中具 有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量 和轨道角动量，也就存在自旋磁矩和轨道磁矩。在外磁场作用 下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性。 Al, Ti, Zr 反磁性体（反磁材料）：抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩 互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨 道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的 合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。 Cu, Si, Zn
The distribution of dispersed particles in the composite coating can be controlled by use of the high magnetic field
A schematic view of experimental apparatus of a heat substrate method in an aqueous solution under a high magnetic field.
德国造出迄今最强人工磁场 为地磁场183万倍
据美国物理学家组织网 2011年6月29日(北京时间)报 道，当地时间6月22日，德 国亥姆霍兹德累斯顿罗森多 夫 研 究 中 心 (HZDR) 的 研 究 人员制造出了强度为91.4特 斯拉的磁场，打破数年前由 美国洛斯阿拉莫斯国家实验 室所创造的89特斯拉的纪录， 成为目前世界上最强的人造 磁场。 实测中，当两个线圈同时工作时，该装臵在几毫秒内产生了91.4特斯拉 的磁场，整个过程中线圈保存完整并未发生损坏。 另，美国国家强磁场实验室位居佛罗里达州，它仅是用于维护强磁体的 电力，就占去所在美国小城总耗电量的1/10。
青蛙悬浮实验
2000年，搞笑诺贝尔物理学奖授予了荷兰人的安德烈-盖姆(Andre Geim)和英国人迈克尔-贝瑞(Michael Berry)，他们使用磁性克服了重力 作用，使一只青蛙悬浮在半空中。他们的实验证实了虽然青蛙没有正 常的磁性，但是它们放臵在一个电磁场中可以实现磁性。而且这种磁 性数倍强于磁共振成像(MRI)所产生的磁场。他们推测使用类似的方法 可以试着克服一个人的重力作用，让他在半空中漂浮起来。
Magnet, at National High Magnetic Field Laboratory, U.S.A
65 T assembly at start of inspection
Section view of 75 T with windings.
The 100 T Multi Shot magnet system capacitor bank (right) and the 1.4 GW pulse mode generator (left).
Materials Processing by Use of a High Magnetic Field
(a) Without magnetic field (b) With magnetization force
Without magnetic field (a) the silicon particles mainly located in a bottom part and with the magnetic field (b) to make the magnetization force act to the upper direction of the specimen, the particles were migrated to a top part though some of them adhere on the wall surrounding the melt. From this result we can recognize that the magnetization force induced by the high magnetic field can migrate non-magnetic substances.
磁场中Bi-3%Mn合金凝固的微观组织 (a) 0T (b) 1.0T
将Bi-3%Mn合金加热至半固态并臵于磁场中凝固，获得了 具有磁各向异性的MnBi相（灰黑色）和Bi基体（白色）中 规则排列的复合材料，如上图。
Aspect in a cross-section of Ni/Al2O3 composite coating.
When the Ti foil was set in parallel to a magnetic field direction, hexagonal pillars are observed. This fact indicates that c-plane is parallel to the surface of the Ti foil. On the other hand, when the Ti foil was set in perpendicular to a magnetic field direction, the Ti foil was coated by thin hexagonal boards with a,b-plane orientation.
Tohoku大学，31T混合磁体； 国家金属研究室（Tsukuba），40T混合磁体； 东京大学，58T长脉冲磁体； 大阪大学，80.3T非破坏性脉冲磁体； Grenoble EPM实验室，31.4T混合磁体，57.2T储能电感长脉冲磁体； Nijmegen强磁场实验室，30T混合磁体； 中科院等离子体物理研究所，20.2T混合磁体（1992年）； 中科院物理研究所，50T脉冲磁体； 华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心，83T双线圈脉冲磁体，使我国 非破坏性磁场强度水平跃居世界第三、亚洲第一（2011年)
The NHMFL’s 21.1 T, 105 mm bore NMR magnet is the product of a 13-year effort. It stands 16 feet tall, weights over 30,000 pounds, and has a stored energy of 40 megajoules.
The Crystals of Hap（羟基磷灰石） precipitated by use of the heat substrate method in an aqueous solution are aligned by the high magnetic field.