為什麼冰箱貼有一面貼不住冰箱？其實這和粒子加速器是同款技術 | 科學DIY_風聞

【本文由公眾號“把科學帶回家”提供，ID：steamforkids】

你有沒有發現這個問題：現在的冰箱貼，為什麼只有一面能吸住冰箱，另外一面放到冰箱上後吸不住，會掉下來？

這不太對啊，磁鐵不是應該兩面都有磁性嗎？為什麼會一面貼不住呢？

@engineeringdog

其實，這是因為現在的冰箱貼，應用了粒子加速器裏的磁體佈陣法。

利用這種佈陣法，我們還可以在家裏製造出電磁炮呢。一起來看看吧！

關鍵概念

哈爾巴赫陣列

材料和操作

如果你家有那種屁股後面沒有圓柱形磁鐵的冰箱貼，可以用來觀察這個現象：把冰箱貼正面貼着冰箱，看看它會不會掉下來。

這背後的原理一會兒解釋。如果你家有一些永磁體，那就可以用這個原理來做更有趣的實驗了。我們來造一個電磁軌道炮吧。

像下面這樣子交錯排布磁鐵的南北極，然後把它們固定住，就可以增強磁場，製造出一個電磁炮啦！

紅色和綠色分別代表南北極

把幾個磁體組成的“子彈”放到軌道中央，就可以發射出驚人的速度了。

@maggie webege

原理

冰箱貼只有一面有磁性，把它的正面貼冰箱時會掉下來，是因為現在的冰箱貼都採用了哈爾巴赫陣列（Halbach Array）的設計。

一種線性哈爾巴赫陣列，此陣列上方磁場較弱，下方磁場較強。

@wikipedia

什麼是哈爾巴赫陣列？

哈爾巴赫陣列指的是一系列永磁體的排布方式，這種排布方式使得磁場在一邊減弱，但在另一邊得到增強。通過這種方法就可以有效增強某處的磁場，同時使其變得均勻。

一種線性哈爾巴赫陣列，此陣列上方磁場較強，下方磁場較弱。

@wikipedia

我們知道，磁體同性相斥，異性相吸。所以很多人下意識地會認為，要讓磁場變大，最好的方法是把幾塊磁體的南極合在一起，北極也合在一起對嗎？

實際上並不是這樣。如果讓幾塊磁體旋轉排布，反而能夠在一面能到更強的磁場。當然，這背後的代價就是，另一面的磁場減弱了。這就是哈爾巴赫陣列的邏輯。

哈爾巴赫陣列一開始是美國物理學家 John C. Mallinson 在1973年發現的，但是當時這個現象沒有引起他的重視，他認為這大概只能用在磁帶技術上。

但是在80年代，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的物理學家 Klaus Halbach 在研究如何集中粒子束時獨立發現了這個陣列，因此後來哈爾巴赫陣列就以他的名字命名。

其實你留心冰箱貼的演變就會發現，老式的冰箱貼兩面都能吸住冰箱。這是因為，一開始冰箱貼後面真的有一塊圓柱形的磁鐵。

但是現在許多冰箱貼很薄，沒有這樣的磁鐵。這就是因為它們現在大多是用氧化鐵粉末和塑料粘合劑製成的。這種磁性混合物被切割成邊長約為1毫米的三角形稜柱後，再以下面的哈爾巴赫陣列排布。

冰箱貼的哈爾巴赫陣列

@wikipedia

你可以想象冰箱貼製造商這麼做的理由，那就是為了在增強磁場的同時降低成本。

現在，除了冰箱磁鐵，哈爾巴赫陣列高能物理領域（如粒子加速器，自由電子激光器，同步輻射裝置和磁透鏡）、常規治具、直流電機、磁力耦合器和發電機中都有廣泛的應用。

同步加速器裏的扭擺磁鐵（Wiggler，讓粒子週期“扭腰”的儀器）裏的哈爾巴赫陣列是這樣的——

Halbach wiggler

@wikipedia

許多交通運輸系統，如 Inductrack 磁懸浮系統也採用了哈爾巴赫陣列加強磁場。超級高鐵 Hyperloop 也採用了線性哈爾巴赫陣列來設計分離艙。

當然，除了線性的，哈爾巴赫陣列還有很多形式。比如我們來看看下面這種環形的哈爾巴赫陣列。

這樣排布後，這款永磁體中心的磁通量超過了1.2特斯拉，相當於1200個冰箱貼，比較接近核磁共振所需的主磁鐵的磁通量了。

看看用圓形哈爾巴赫陣列可以如何玩弄小永磁體片——

我聽見有同學説線性哈爾巴赫陣列的佈陣法很難記是嗎？

其實一點也不難哦，用眼睛逆時針翻白眼的順序就是哈爾巴赫陣列布陣法叻。

看一下示範——