03.05 目前世界上,磁力最強的超導電磁鐵的磁力相當於釹鐵硼永磁體磁力的多少倍?

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釹鐵硼是磁力最強的稀土永磁材料,小小的一塊釹鐵硼磁鐵,就可以輕鬆達到0.5 T甚至1T以上的磁場。一般來說,釹鐵硼的磁場強度大致在1 T左右的範圍,當然,如果組合更多的材料,是可以達到更高的磁場的。

電磁鐵和永磁鐵區別在於,它主要是利用螺線管原理來產生磁場的。因此,電磁鐵的磁場強度取決於其中通電電流的大小,電流密度越大,產生的磁場就越強。

超導體電阻為零,所通電流密度也是極大的,按理說產生的磁場應該非常強。但是,超導螺線管產生的磁場,也是存在上限的。原因在於,超導體材料本身承載的電流密度或磁場強度都是有上限的,前者稱之為臨界電流密度,後者稱之為臨界磁場。超導體的臨界電流密度在10的5次方安培每平方釐米這個量級,確實已經很大了,就像指甲蓋那麼大小橫截面的超導線,可以承載10萬安培的電流!但是,超導體同時存在臨界磁場,大部分超導體還存在兩個臨界磁場,即磁場大於下臨界場時磁通線可以進入,但是不破壞零電阻態,只有磁場大於上臨界場之後,零電阻才徹底破壞。對於大部分超導體(高溫超導體)來說,都是存在上下臨界磁場的第二類超導體。常規金屬超導體雖然導電能力強,但是它的臨界磁場很低,一般只有幾個T或十幾個T,達到的磁場強度是有限的。對於高溫超導體來說,因為臨界溫度高,其上臨界場往往很高,甚至幾百個T,但是臨界電流密度卻有限,並不能一直增加到上臨界場這個地步。並且,因為高溫超導體螺線管處於磁通線部分進入的混合態,磁通的運動情況也會極大地影響臨界電流密度,讓它無法達到更高的磁場。

實驗上,用普通金屬合金的超導螺線管,可以達到15 T以內的磁場。用高溫超導線圈做的超導螺線管,可以達到30 T左右的磁場。至於更高的磁場,則需要採用混合磁體,外圈用超導磁體,內圈用普通銅水冷磁體,這樣可以達到45 T左右的穩恆磁場。如果需要更高,則需要採用脈衝磁場,即減少大電流通過時間來降低熱量的產生,脈衝磁場最高能達到100 T左右。


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