超强磁场

时间:2023-06-18 13:12:05编辑:揭秘君

据美国《探索》杂志报道,磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质,它具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电 流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的 。在浩瀚的宇宙中,一些物质借助磁场向对方施加强大的影响,比如中子星,它的磁场强度竟然是地球100万亿倍。以下便是宇宙间最强大的磁体。

磁星:从10万英里处消除信用卡信息

磁星:从10万英里处消除信用卡信息

当一颗大型恒星经过超新星爆发后,它会塌缩为一颗中子星,其磁场也会迅速增强。在科学家邓肯及汤普森的计算结果当中,其强度约为一亿特斯拉(108 Tesla),在某些情况更可达1,000亿特斯拉(1011 T,1015 Gauss),这些极强磁场的中子星便被称为“磁星”。而地球表面的天然地磁场强度,在赤道附近约3.5×10-5 T,在两极附近约7×10-5 T。
一颗超新星在爆发期间,自身可能会失去约10%的质量,一颗质量为太阳的10倍到30倍的恒星,在避免塌缩成黑洞的情况下,它们需要放出更大的质量,可能为自身的80%。据估计,每大约十颗超新星爆发中,便会有一颗能成为磁星,而非一般的中子星或脉冲星。在它们演变成超新星前,自身需拥有强大磁场及高自转速度,方有机会演化成磁星。有人认为,磁星的磁场可能是在中子星诞生后首十秒左右,透过炽热内核物质的对流所产生的,情形就如一台发动机。如果在对流现象发生期间同时拥有高自转速度(周期约10毫秒左右),其产生的电流足以传遍整颗天体,便足够把其自转动能转为其磁场。相反,如果天体的自转速度较慢,其内核物质的对 磁星流所产生的电流不足以传遍整颗天体,只在局部区域流动。

出于一些尚未被完全理解的原因,有些中子星被归入“磁星”一类。磁星“继承”了一般中子星惊人的磁场强度,并在此基础上乘以1000倍。即便在地球和月球之间停留, 磁星仍可以消除信用卡上的信息。

科学家尚不确定磁体的磁场强度超过普通中子星的原因,但天文学家发现这种现象越来越明显。当不同寻常的磁场开始减缓中子星的旋转速度时,它会以X射线波长释放剧 烈的能爆,美宇航局的X射线望远镜可以看到这一切。

中子星:磁场强度是地球100万亿倍

中子星:磁场强度是地球100万亿倍

我们可以从自家电冰箱感受到磁体的影响。最强大的人造磁场会让粒子碰撞和聚变反应成为可能。但是,正如我们所看到的,即便与宇宙最远端的磁场(如源于中子星的磁 场)相比,人类付出最大的努力仍旧显得苍白无力。超新星种类不同,产生的结果也不同。质量最大的超新星会在爆发以后形成黑洞,而质量相对较小的超新星则会产生中子星。

中子星的密度惊人,磁性同样惊人:地球的磁场强度维持在0.5高斯左右,而中子星的磁场却是地球的100万亿倍。这张照片是钱德拉X射线望远镜拍摄的仙后座A (Cassiopeia A)超新星残余。

中子星是一种直径只有大约20公里、但质量却超过太阳数倍的致密天体。它们均为超新星发生爆炸后的产物:超新星在爆炸过程中会将表面物质抛散到周围的宇宙空间,而其中心部分则会在引力作用下急剧收缩并最终形成中子星。
英德两国科学家的最新研究成果显示,在两颗中子星发生碰撞的过程中还会产生出非常强大的磁场--其强度之高,不但足以诱发短暂的伽玛射线爆,而且会接近磁场在自然状态下可能达到的理论极限值。计算显示,中子星碰撞时产生的磁场强度将达到地球磁场强度的数万亿倍。尤其需要指出的是,就连科学家们也对上述结果吃惊不已。据悉,这一超强磁场的存在时间只有短暂的1-2毫秒。
经过对中子星磁场的首次直接测量,科学家找到了迄今宇宙中磁性最强的磁体。这个名为SGR1806-20的天体是10颗稀有的中子星之一,早在25年前即被发现。利用美航空航天局RossiX射线探测器,科学家计算出这颗中子星磁场的强度比以前认为的要高出10倍,与普通中子星的磁场强度相比,其强度大了几千倍,是地球上最强磁体磁场强度的几十亿倍

自然界最奇特的现象——超导电性

自然界最奇特的现象——超导电性

超导电性是自然界最奇特的现象之一,是单纯依靠经典物理学所无法彻底解释的。有些物质在被冷却至接近绝对零度时,其电阻会变为零。因此,电流可以无限期地持续下 去。科学家在大型强子对撞机这样的粒子对撞机上采用了超导材料,但你大可不必不远万里前往欧洲去探求它们的特性。超导体中的持续电流可以使物质浮起来,因为恒定电流会 排斥浮动物体(甚至是活体)的磁场。此图中,荷兰科学家在一个16特斯拉的磁场里将一只青蛙浮了起来。

大型强子对撞机揭开宇宙起源之谜

大型强子对撞机揭开宇宙起源之谜

大型强子对撞机是一个具有多个超大磁体的庞然大物,线圈长度超过14米。超导磁体可以在8特斯拉以上的强度下运行,驱动质子绕一条17英里(约合27公里)长的环形隧道 运转,令其互相撞击,生成无数的次原子微粒。2008年9月,大型强子对撞机启动后不久便因磁体冷却系统的电连接故障而关闭。如今,经过近一年的维修,这台超导对撞机仍未启 动,这种情况将至少持续到今年11月。

为黑洞提供能量

为黑洞提供能量

我们大家都听说过黑洞的故事:这些超高密度的超新星残余施加如此惊人的引力,使得它们可以吞噬附近的一切事物,为黑洞进一步提供了能量。但是,故事并未以引力而 结束。

一旦物质被拉向黑洞,它会在黑洞边缘旋转,并在被吞噬之前甩掉部分角动量。磁性便是在这一过程产生的。在气体绕黑洞盘面边缘旋转时,会产生自己的磁场,这个磁场 会抛射盘面的气体远离黑洞。这些喷射物会从距离黑洞最近的气体内部“盗取”能量。随后,气体速度慢慢减缓,最终被这个黑暗的魔兽所吞噬。

30多年前,科学家就注意到了吸积盘物质角动量的快速丢失,科学家也曾经把怀疑的眼光投向了磁场作用,只是没有找到磁场盗取角动量的证据。
美国密歇根大学的科学家通过观测我们银河系的GROJ1655双星系统,发现了黑洞中的磁场作用的证据。这个双星系统包括一个7倍于太阳质量的黑洞和一个2倍于太阳质量的恒星,其中的黑洞正在通过吸积盘贪婪地吞噬着恒星体内的物质。通过卫星上的钱德拉X射线天文台观测,黑洞吸积盘中心正在以漏斗状向外不断散发出大量的X射线和大量的带电粒子,看起来就像从黑洞中心正吹出狂风,形状如同明亮的火焰。
这种X射线光谱显示,数百万度的气体盘旋在黑洞周围,一些热气被狂风吹走,而大量的热气正在向黑洞旋进,这与计算机模拟的磁场和物质的相互摩擦产生的磁场风很一致。科学家通过光谱分析认为,黑洞中存在磁场,在黑洞磁场作用下,吸积盘里的气体剧烈地相互摩擦,产生大量的热,高温导致气体电离,并释放出X射线,各种带电粒子又在磁场作用下被狂风吹了出来。高温和高强度的风意味着黑洞具有高强度的磁场,若没有磁场的作用,单纯的摩擦热和射线不会形成这么强烈的风。
正是这阵强烈的风偷走了周围物质的角动量,再加上摩擦产生的阻碍转矩,吸积盘里的物质角动量大大减小,这相当于物质丧失了能够与黑洞引力相抗衡的力量,不可能在原来的轨道安稳地旋转,它们在黑洞引力下身不由己,只能乖乖地被黑洞吞食。

国际热核聚变实验堆

国际热核聚变实验堆

对科学家来说, 获取“自给自足”的聚变能量仍是一个梦想,而实现这个梦想的关键在于磁性。国际热核聚变实验堆(ITER)是一个由多国参与的项目,是世界上规模最大的 融合氘和氚的尝试之一。氘和氚是氢的两个重同位素。一旦国际热核聚变实验堆建立起来,它会不断加热氘和氚,令其变成等离子态,产生500兆瓦的高温。接着,这台装置将利用 磁场去包含和控制那些过热的等离子质。

全球最大的人造磁体

全球最大的人造磁体

尽管人造磁体不能与自然界最强大的磁体相提并论,但人类的努力并非无足轻重。美国的三个不同机构——佛罗里达州立大学、佛罗里达大学、新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国 家实验室——构成了美国国家磁场实验室,这里也是世界上最大的人造磁体所在地。

仅仅洛斯阿拉莫斯国家实验室就有8个可在至少50特斯拉(一个普通条形磁体可生成0.01特斯拉的强度)强度下运行的磁体,其中还包括一个用时10年制造的100特斯拉的多点 磁体。

运行这些磁体投入巨大,例如,洛斯阿拉莫斯国家实验室便使用一个1.43千兆瓦发电机和5个64兆瓦电源。1.43千兆瓦发电机放在一个由60根弹簧制成的平台上,因为在磁 体通电以后,会产生惊天动地的怒吼,所以,发电机放在弹簧平台上面是磁体减速时减缓震动所必须的。

核磁共振成像窥视人体内部奥秘

核磁共振成像窥视人体内部奥秘

自从科学家20世纪70年代初制造出第一台核磁共振成像(MRI)仪器以来,这项技术的发展可以用“突飞猛进”四个字来形容——以致美国食品与药品管理局不得不给人体暴 露于外部的磁性幅度设限。2003年,在伊利诺斯州大学的科学家开发出9.4特斯拉的扫描仪以前,8特斯拉是最大值。9.4特斯拉的扫描仪最终获得美国食品与药品管理局批准。

但是,它并不是世界上最强大的核磁共振成像扫描仪。曾给麻省理工学院开发出9.4特斯拉扫描仪的布鲁克拜厄斯宾公司(Bruker Biospin)在此基础上设计出11.7特斯拉核 磁共振成像扫描仪。2009年,得克萨斯大学宣布计划在其医疗中心安装一台11.7特斯拉核磁共振成像扫描仪。

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