新的电磁革命正在路上

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  电磁技术在经历了一个多世纪的发展之后,现在正处于新的电磁革命前夜。

无线充电的生活


  如今,我们的手机已能进行无线充电。但科学家并不满足于此,他们不仅想要手机真正地达到无线充电,也就是在我们进入家门的那一刻起,手机就能开始充电,而不需要我们把它放充电底座上;他们还想要汽车也能无线充电,而且还要让汽车能边开边充。这并非异想天开,而是真能实现。
  我们先来看看无线充电背后的科学原理。事实上,无线生电早在1910年就已经实现,只是当时没有高效的电池以及其他原因,在100年后它才发展成无线充电。无线充电的实现,利用的是法拉第电磁感应定律。这个定律表明,当一个导电导体的磁场发生改变时,与这个导体相近的另一个导体会被引导出电流。就拿我们现在的无线充电手机来说,充电底座会不断产生变化的磁场,根据法拉第电磁感应定律,贴在底座上的手机里的电源会被引导出电流,从而进行充电。
  只是,我们目前的手机为什么要紧贴充电底座才能充电?那是因为由电流产生的磁场强度会随距离的增加而急剧衰减。离充电底座越远的地方,磁场强度越小,由它所引出的电流也就越小,而且能量损失也会越多。这也是为什么无线充电汽车难以出现的原因。
  但是美国麻省理工学院的科学家发现,如果发射器的磁场频率和接收器的接受频率相同,那么能量的损失会最小化。他们利用这一方法,成功地给离充电底座半米远的电视供电。根据同样的原理,科学家终于能实现电动汽车的无线充电了。他们在德国柏林的某一停车场进行了实验,成功地利用无线充电技术给电动汽车充了电,充电效率为90%,与有线充电的95%只相差5%。另外,科学家已经在以色列完成了电动汽车的行进充电实验——电动汽车可以通过埋在马路下的电磁圈进行充电。他们计划于2023年在挪威的奥斯陆地区进行试点,那里的出租车到时会安装无线电源,然后可以通过马路里面的电磁圈为自己充电。

更清晰的fMRI


  fMRI是一种脑成像仪,它能通过检测大脑活动时的大脑血流变化来记录大脑的活动。我们动脑时,某些大脑区域就会变得活跃,这也意味着这部分区域需要更多的能量。但是由于大脑并不储存葡萄糖(葡萄糖负责提供能量),所以,大脑活跃的区域需要更多的血液流入以获得更多的葡萄糖。在葡萄糖分解的过程中,脱氧血红蛋白会减少。此时,大脑这部分区域的磁场就会发生变化,然后被fMRI里的静磁场所探测到。
  不过如今的fMRI的分辨率还不够高,它最小只能分辨1毫米的细节,而科学家对分辨率有更高的要求。但是,由于fMRI的分辨率跟它里面的静磁场强度密切相关,静磁场强度越大,分辨率也就越大;而静磁场的强度又跟fMRI里面产生静磁场部件的电流强度呈正相关,电流强度越大,静磁场的强度越大;而传统部件却总是带有电阻,所以,科学家迟迟制造不出更高分辨率的fMRI,直到他们看到了超导体。
  什么是超导体?一般来说,我们日常生活中所有导体,多多少少带有电阻。有那么一些导体,当它所处的环境温度下降到一定的程度时(有些是-196℃,有些是-269℃以及其他低温),它的电阻就会变成0,此时它就变成了超导体。超导体里的电子会毫无阻碍地流动,由这些电子所产生的磁场也是最大的。只是,超导体的形成条件非常苛刻,目前只用于极少数领域,例如超级计算机和实验室。在日常领域当中,似乎只有fMRI能搭配使用超导体了。

  fMRI的内部环境温度可以通过液氦或其他手段降低,其中超导体可以为fMRI产生更强大的静磁场,从而提高fMRI的分辨率。科学家已经成功利用液氮和陶瓷材料制作出了超导体fMRI,这种超导体fMRI更便宜。现在科学家正在对它进行测试,并估计它可以分辨0.2毫米的细节。

无损耗电网


  鉴于超导体的无电阻特性,科学家做梦都想找到,或是制作能在常温下使用的超导体,这样我们就能拥有一个无损耗的电网了。在进行一段时间的寻找和研究之后,科学家已经发现了一些能在较高温度下使用的超导体。
  2015年,科学家发现了硫化氢能在-70℃变成超导体。2019年,科学家发现氢化镧能在-23℃的温度下变成超导体(这是已知使用温度最高的超导体)。不过这些超导体还难以进行推广,因为硫化氢和氢化镧还分别需要在100帕和170帕的高壓环境才能实现超导。要知道砖石形成所需压力才只有4.5~6帕。
  如今科学家正在尝试制作金属氢。在某种高温和高压条件下,氢气会变成金属氢,它既可以是液态,也可以是固态。金属氢在形成之后,即使它的环境条件恢复到了常温和常压,也不会变回气态氢。科学家们利用现有理论进行推测,金属氢具有超导性,它能在常压下的17℃使用,这个温度远高于现有已知超导材料的使用温度。
  科学家已经在木星和土星上观察到了金属氢存在的迹象,现在,他们正在尝试,看看能不能在地球上制造出金属氢。如果金属氢真的被制造出来,那么别说无损耗电网了,就连我们日常生活所用的电器也可能是无损耗的。
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