打字猴:1.701076428e+09
1701076428 因为它是一个向量方程,所以它实际上是由3个分量方程组成的,即:
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1701076430 Δ2Bx=0
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1701076432 Δ2By=0
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1701076434 Δ2Bz=0
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1701076436 啊哈!最后一个式子是什么意思?它的意思是,BZ在空间中只存在鞍点,不存在各个方向都是最小值的点,如果你还没有看明白,我们把它写成:
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1701076446 如果BZ在X方向上的某一点具有最小值,那么我们有xBZ=0,并且。其中第一个条件告诉我们在这一点BZ是极值,第二个条件告诉我们是极小值。但是由于 的要求,如果这一点上,则至中至少有一个是小于零的。这就表明此处BZ在Y和Z方向上至少有一个方向是极大值。这不就证明了BZ在空间中只存在鞍点,而不存在各个方向上都是极小值的点吗?从而恩绍定理得证。
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1701076450 了解了恩绍定理,我们来看青蛙是如何不遵守这个规律的。青蛙含有大量水分,所以也是逆磁物质,它在外加磁场的作用下,诱导出一个与之对抗的磁偶极矩,其中γ是一个比例常数,负号表示它的逆磁性。这样,青蛙在外加磁场下的势能可以写成:
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1701076456 很显然,这里青蛙的磁场势能不是正比于磁场的某一个分量,而是正比于磁场的总强度(的平方),磁场的总强度。开始证明了磁场的某一个分量在空间中只存在鞍点,但是这并不意味着磁场的总强度(或者说磁场的标量强度)在空间中不存在各个方向上都是极小值的情况。实际上,铅笔芯悬浮的时候就是通过调整磁铁阵列的排列,使得在空间中存在这样的势能最低的位置。Geim先生的青蛙悬浮装置中也有恰好有这样一个位置。
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1701076458 看到这儿,你应该对逆磁悬浮透过热闹看到了门道吧?你或许想过,除了演示这样一个有趣的科学现象以外,逆磁悬浮有没有什么实际的用途呢?实际上它的用处可不少。最重要的用途是在地表创造出太空中才有的微重力环境,这样的环境对于生长完美对称的晶体非常有利,因此它受到材料学家们的关注。最近还看到一个新闻, 2009年美国宇航局的科学家们把一只小老鼠用强磁场浮在了空中。当然他们不是为了重复Geim先生的实验,而是想通过研究老鼠在微重力环境下骨骼钙质流失等现象,来寻求解决宇航员在太空中遇到的一些问题(因为老鼠和人在生理上有许多相似之处)。这可比用火箭把航天员送到太空进行研究要物美价廉得多!
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1701076460 这位说了,要研究无重力下的人体反应有个更简单的办法,把航天员派到死海里进行训练不就行了吗,那里水的浮力足以完全平衡掉人体的重力。确实,各国宇航员训练有一个科目就是穿着笨重的宇航服在水底进行训练,以适应微重力环境。但是这种环境与真正的微重力环境有一个重要的区别,那就是在太空中,人的每一个细胞单独拿出来都是几乎不受重力的;水下训练中,人体只不过是外表受到了来自水的浮力平衡掉了身体的重量,而身体内每一个细胞都还是受到同样的重力以及细胞周围组织对它的支撑力,这和人站在地表没有本质区别。所以在水下呆再长的时间也不会出现航天员骨质流失那样的问题。但是,逆磁悬浮就不一样了,因为老鼠体内每一个细胞都含大量的水,而且大致上水含量都相当,这样每个细胞都会感受到外加磁场的斥力,平衡掉自身的重力。所以老鼠的骨骼不再需要支撑肌肉的重量,就会出现航天员在太空中所经历的骨质流失的现象了。
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1701076462 逆磁悬浮的另外一个重要应用前景就是悬浮列车。目前世界上运营的悬浮列车(如上海磁悬浮列车)都是采用电磁铁加以复杂的电路控制(我将在后面的章节中制作一个这样的装置),建设成本巨大,不利于推广。而逆磁悬浮具有天生的稳定性,而且不需要耗电就能产生悬浮,用于列车轨道,将会大大减少成本。然而,你从第5章以及本章的诸多实验看到了,逆磁效应是一种非常微弱的现象,除非在实验室中的强磁场内,否则它产生的推力是微乎其微的。有没有别的材料具有更大的逆磁性,从而可以悬浮其很重的物体呢?有。在第5章“探索与发现”小节中的表格里,你会发现最后一行赫然写着,超导体。其逆磁效应比石墨、水等要强万倍。毫无疑问,超导体是制造磁悬浮列车的最佳材料。然而不幸的是,目前的超导材料还需要冷却到零下140℃左右才能变成超导状态,即使地球上最冷的南北极也无法达到这个温度。图7.13展示了一个超导悬浮实验,悬浮在空中的是一块普通磁铁,它的下面放着一块黑色的超导体(钇钡铜氧,简称YBCO),其超导转变温度是零下180℃左右。值得一提的是,它是由华人物理学家朱经武和吴茂昆率领的研究团队在1987年发现的。在这个材料合成以前,最高超导转变温度是零下240℃左右,钇钡铜氧的发现,让科学界极为振奋。因为终于有一种材料可以在液态氮的环境下超导了(液氮温度为零下196℃)!液态氮相对来说是一种非常便宜的冷却剂,目前一升只需人民币3~4块,可比汽油便宜!图7.13中,黑色的钇钡铜氧超导体就是浸没在液氮之中,所以你才会看到它周围升腾的雾气,就像我们在一只刚刚从冰箱里拿出的冰棒周围看到的雾气一样。图7.13中的镊子尖端上也凝结了一层雪花。
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1701076467 图7.13 超导逆磁悬浮
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1701076469 高温超导研究是目前物理学最大的研究前沿之一,我们还没有一个完整的理论来解释高温超导现象,也不知道我们是否有可能实现室温超导。但是世界上有许许多多个聪明勤奋的科学家倾注毕生的精力在朝那个方向奋斗,读者中或许也会有人将会从事这个方向。或许在不太遥远的未来,我们就能够乘坐由超导体做成的磁悬浮列车,在距离地面十几厘米的地方以飞机的速度,火车的票价奔驰着,那个时候,我国的春运难题将有望得到解决了。
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1701076471 [1].请见Berry教授的网页:http://www.phy.bris.ac.uk/people/berry_mv/igberry.html。其中有一段叫作How I ended up levitating frogs.
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1701076473 [2].Berry先生很有可能在不久的将来,继Geim先生之后,成为获得正牌诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的第二人。
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