为什么冰箱贴有一面贴不住冰箱？其实这和粒子加速器是同款技术 | 科学DIY_风闻

【本文由公众号“把科学带回家”提供，ID：steamforkids】

你有没有发现这个问题：现在的冰箱贴，为什么只有一面能吸住冰箱，另外一面放到冰箱上后吸不住，会掉下来？

这不太对啊，磁铁不是应该两面都有磁性吗？为什么会一面贴不住呢？

@engineeringdog

其实，这是因为现在的冰箱贴，应用了粒子加速器里的磁体布阵法。

利用这种布阵法，我们还可以在家里制造出电磁炮呢。一起来看看吧！

关键概念

哈尔巴赫阵列

材料和操作

如果你家有那种屁股后面没有圆柱形磁铁的冰箱贴，可以用来观察这个现象：把冰箱贴正面贴着冰箱，看看它会不会掉下来。

这背后的原理一会儿解释。如果你家有一些永磁体，那就可以用这个原理来做更有趣的实验了。我们来造一个电磁轨道炮吧。

像下面这样子交错排布磁铁的南北极，然后把它们固定住，就可以增强磁场，制造出一个电磁炮啦！

红色和绿色分别代表南北极

把几个磁体组成的“子弹”放到轨道中央，就可以发射出惊人的速度了。

@maggie webege

原理

冰箱贴只有一面有磁性，把它的正面贴冰箱时会掉下来，是因为现在的冰箱贴都采用了哈尔巴赫阵列（Halbach Array）的设计。

一种线性哈尔巴赫阵列，此阵列上方磁场较弱，下方磁场较强。

@wikipedia

什么是哈尔巴赫阵列？

哈尔巴赫阵列指的是一系列永磁体的排布方式，这种排布方式使得磁场在一边减弱，但在另一边得到增强。通过这种方法就可以有效增强某处的磁场，同时使其变得均匀。

一种线性哈尔巴赫阵列，此阵列上方磁场较强，下方磁场较弱。

@wikipedia

我们知道，磁体同性相斥，异性相吸。所以很多人下意识地会认为，要让磁场变大，最好的方法是把几块磁体的南极合在一起，北极也合在一起对吗？

实际上并不是这样。如果让几块磁体旋转排布，反而能够在一面能到更强的磁场。当然，这背后的代价就是，另一面的磁场减弱了。这就是哈尔巴赫阵列的逻辑。

哈尔巴赫阵列一开始是美国物理学家 John C. Mallinson 在1973年发现的，但是当时这个现象没有引起他的重视，他认为这大概只能用在磁带技术上。

但是在80年代，美国劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家 Klaus Halbach 在研究如何集中粒子束时独立发现了这个阵列，因此后来哈尔巴赫阵列就以他的名字命名。

其实你留心冰箱贴的演变就会发现，老式的冰箱贴两面都能吸住冰箱。这是因为，一开始冰箱贴后面真的有一块圆柱形的磁铁。

但是现在许多冰箱贴很薄，没有这样的磁铁。这就是因为它们现在大多是用氧化铁粉末和塑料粘合剂制成的。这种磁性混合物被切割成边长约为1毫米的三角形棱柱后，再以下面的哈尔巴赫阵列排布。

冰箱贴的哈尔巴赫阵列

@wikipedia

你可以想象冰箱贴制造商这么做的理由，那就是为了在增强磁场的同时降低成本。

现在，除了冰箱磁铁，哈尔巴赫阵列高能物理领域（如粒子加速器，自由电子激光器，同步辐射装置和磁透镜）、常规治具、直流电机、磁力耦合器和发电机中都有广泛的应用。

同步加速器里的扭摆磁铁（Wiggler，让粒子周期“扭腰”的仪器）里的哈尔巴赫阵列是这样的——

Halbach wiggler

@wikipedia

许多交通运输系统，如 Inductrack 磁悬浮系统也采用了哈尔巴赫阵列加强磁场。超级高铁 Hyperloop 也采用了线性哈尔巴赫阵列来设计分离舱。

当然，除了线性的，哈尔巴赫阵列还有很多形式。比如我们来看看下面这种环形的哈尔巴赫阵列。

这样排布后，这款永磁体中心的磁通量超过了1.2特斯拉，相当于1200个冰箱贴，比较接近核磁共振所需的主磁铁的磁通量了。

看看用圆形哈尔巴赫阵列可以如何玩弄小永磁体片——

我听见有同学说线性哈尔巴赫阵列的布阵法很难记是吗？

其实一点也不难哦，用眼睛逆时针翻白眼的顺序就是哈尔巴赫阵列布阵法叻。

看一下示范——