浅析强磁场的应用

浅析强磁场的应用

摘要：早在上世纪强磁场就已经开始被研究与发掘，时至今日强磁场技术更是

成熟，本文将简要介绍强磁场的性质与原理、在国内的发展现状、在工业、军事、医学上的应用，以及发展的弊端。

关键词：脉冲强磁场；稳态强磁场；技术与应用

引言

随着时代的发展，强磁场技术逐渐应用在我们的工业生活中。在二十世纪六

十年代人们发现了实用超导材料，持续强磁场消耗电能的功率就大大减少，强磁

场也被人们渐渐运用到实用领域，本世纪，电工新技术应用需要重点发展超导和

永磁强磁场技术，在各国核物理、核聚变等科技计划的带动下，这项技术得到了

很大的发展。低温铌钛合金，铌三锡复合超导线和铷铁硼永磁材料形成了产业链，能够批量生产[1]。人们成功研制出可长期稳定运行的强磁场装置，满足15T以下

的场强和磁场形态，从而推动了强磁场的应用[2]。根据在材料在磁场中收到的四

种作用力如洛伦兹力、库仑力、磁化力和极化力，人们开始利用磁场来制作各项

性能都更为优秀的材料。在磁场中材料主要受洛伦兹力与磁化力的作用，人们可

以利用这一性质对材料的晶体取向，组织去向来做影响制作出新材料。本文将从

强磁场的性质与原理、在国内的发展现状、在工业、军事、医学上的应用、发展

的弊端这几个方面来浅析强磁场。螺旋装置是当今超导磁体技术水平的典型代表，而美国的稳态强磁场可以说是世界先进水平，世界稳态强磁场的最强记录就是由

位于美国弗罗里达的NHMFL实验室所保持的。我国强磁场方面的研究要走的路

还很长。

1.强磁场的简介

1.1强磁场的原理

自从电磁场被安培制造出来后，磁场的应用就开始变的广泛，尤其是在强磁

场被应用于科学研究之后。超强磁场一般叫强磁场，是指强度远高于强度为约为0.05mt地磁场的外加磁场，一般强度大于2T。对于磁场的研究，也产生了许多新现象和新概念。这些新技术对于现代物理、生物、化学学等学科产生的影响也很

巨大，更不用说日常生活了。因此，不断发展和升级磁场技术，制造出更稳定更

有效的强磁场成为科学家研究强磁场的一大目标。

1.2强磁场的发展趋势

人类近代的科学技术发展伴随着地球资源的大量消耗，人们现在对于材料的

量的要求不仅没有减少，而且还在质量方面上更加严格。因此各项性能更加优良

的材料会被更加广泛的采用。而材料在强磁场中会在原子尺度上拥有新的变化：

强磁场会重新改变原子中电子的跃迁、与排布行为，从而对这些材料的各项性质

产生深远的影响。比如水在强磁场下会发生变形，非导磁物质在超强磁场中会发

生悬浮现象，在金属凝固过程中，晶粒也会被影响形成单晶组织，所以如何利用

强磁场对材料的影响，来制作出各项性能更加突出的新材料就非常重要了，也因

此成为了各国研究磁场的科学家的重要目标。进入二十一世纪，随着科学家的研究，超导与永磁强磁场技术也逐渐成熟，应用也随之广泛，医学方面的核磁共振、交通方面的磁悬浮列车、军事方面更加灵敏与先进的雷达、材料方面的磁拉硅单

晶生长炉也得到了实际应用。

1.3国内外发展现状

中国在强磁场的研究与应用方面也没有落于下风，中国的科学家一直致力于

研究出稳态强磁场，2017年9月，稳态强磁场实验装置通过了验收，我国从此成为国际上第五个有稳态磁场的国家。并且同时在北京怀柔如何应对在极端条件下

应用强磁场的工程也开始动工，争取可以在极低温、高温、高压强下也可以做到

拥有稳态强磁场。并且在近年来取得了较大进步华中科技大学国家脉冲强磁场中

心

脉冲强磁场实验装置（PHMFF）是我国“十一五”期间规划建设的十二项重大

科技基础设施之一，是第一个由部属高校承建的国家重大科技基础设施项目。PHMFF于2008年4月开工建设，2014年10月通过国家验收。这个装置的建设

成功是一项巨大的成功，填补了国内超高磁场实验条件的空白。不过这距离美国

等发达国家仍有一些差距。现如今，超导磁体技术水平的代表是日本名古屋科学

研究所的大型螺旋装置。而美国的稳态强磁场可以说是世界先进水平，世界稳态

强磁场的最强记录就是由位于美国弗罗里达的NHMFL实验室所保持的。这是美

国早在1993年就开始策划突破48T稳态强磁场混合磁体强磁场实验中心的计划[3]。而日本筑波科学城、荷兰Nijmegen强磁场实验室都在加强稳态强磁场的研究，所以，中国在强磁场方面其实并不是名类前茅，因而类似于核磁共振等技术

被欧美垄断，在磁场研究方面，我国的科学家们还是任重而道远的。

2.强磁场的应用

2.1 工业应用

由于金属成型时在强磁场下会有较大影响，拥有较大发展前景。人类对强磁

场工业电磁成形技术的研究，最初开始于1960年左右的美国，物理学家Kaptliap

在做实验时发现了一个现象：金属线圈在形成脉冲磁场后，在磁场力的作用下，

容易胀大和涨破，这个现象引发了人们对电磁的思考。而在这众多工业应用上我

们重点介绍一下电磁成形这方面。电磁成形就是在电容与控制开关构成的闭合回

路中，通电瞬间，电流在线圈中产生强大的磁场，与此同时，金属工件产生感应

电流，在感应电流产生的磁场作用下，金属工件成形。相比于金属爆炸成形，电

磁成形的危险性更小，与电液成型相比电磁成形又更方便。电磁成形又主要在电

磁冲载、电磁铆接、电磁焊接三个方面较有发展空间，我们知道，电磁产生装置

在通电时产生的磁场力使划片向下滑动进行切割，而因为是强磁场所以电场力够

大速度快高速成形，划片的切割面较为平滑，与普通切割相比有较大优势。电磁

铆接是通过电磁成形技术而新兴发展的一类铆接方法。在开关闭合瞬间，冲击电

流流经初级线圈后产生强磁场。这个磁场与磁极线圈产生的感应电流再产生了涡

流磁场，涡流磁场与该强磁场相互作用产生的涡流斥力，就是我们所称的放大器

的输入力，这个输入力在经过不断地反射后会输出一个带峰值的波形应力，此力

再传递给铆钉，使其快速完成塑性变形。同样因其力量大，速率大，应变力大，

电磁铆接也有其他铆接无法替代的优势。而电磁焊接就相对来说比较少见，但也

是可以实现的，但没有明显优势。此外近年来国际上还研究了磁场软化水来改善

水质作用；在强磁场的作用下，提高金属的强度；通过磁场的磁力吸出金属中的

杂质，从而提高金属质量等。

2.2 医学应用

而强磁场在医学上的应用较为有名与广泛的就是核磁共振了，1945年发现

核磁共振成象后，就一直用于高分子材料的结构特性的研究。核磁共振就是原子

核在强磁场作用下由无序变为有序，在磁场频率与与其本身运动本身频率一样时，