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磁场可控制热能和声音
来源 : 科学之家   发布时间 : 2016-04-12 10:23

图片说明:磁铁具有神奇的力量,近日有研究表明,它对热能和声音具有影响。图片来源:www.shutterstock.com.


众所周知,声音通过气体、液体和固体中原子的周期性振动得以传递。当我们说话时,声带会发生振动,从而使肺部发出的气体也发生振动。这一过程产生了声波,声波经由空气传播,最终抵达听者的耳膜,并使听者的耳膜也发生振动。根据耳膜的振动,听者得以重现说话者所说的话。

声音会受到传递过程中周围环境和声波频率的影响,我们㛑发明出了乐器来控制它们产生的声音。另外,世界上还存在超出人类听力范围的声波,比如犬笛发出的声波。目前,科学家已经对人类听力以内和以外的声波都进行了研究,也有一些有趣的发现。

早在100多年前,科学家就已经知道,热能就是储存在原子振动中的能量,因此发现热能和声音是有联系的。近日,研究人员又有了新发现——这些原子的振动竟然还具有磁性!

20世纪30年代,物理学家开始将原子振动模拟成粒子。这和光的概念一样,因为我们把波和粒子都叫做光子(photon)。物理学家家把声波粒子叫做“声子(phonons,取自希腊语,表示声音)”。现在,物理学家把声子当做准粒子,因为它具有波和粒子的双重属性。声子同时具有声音和热能。在金属中,热能主要是靠原子中的电子活动来传递。然而,在所有其他材料中,热能却几乎都由声子传递。

因此,声波在力学、声学和热学上的性能都已确定。但是在此之前,从来没有人想过声波竟然会有磁性。

图片说明:实验中使用的一个由半导体锑化铟制成的音叉。图片来源:Kevin Fitzsimons, The Ohio State University, CC BY-NC-ND

通过实验,研究人员证明了声波可以和外界的磁场产生反应。此次实验将一个半导体锑化铟单晶上切成不同大小的两个部分,并将其冷却至-265℃。然后再对两个部分进行定量加热,结果发现,较小部分中的声子速度较慢,较大部分中的声子速度较快。当在实验中引入磁场时,声子的速度会下降,它们携带的热能也会减少12%。

研究人员认为,这是固体中围绕原子旋转的电子造成的。这些电子的旋转运动会产生一个很小的内禀磁场(intrinsic magnetic field),这个磁场会和外界的磁场产生反应,也就是抗磁性(diamagnetism)现象。这种特性存在于很多物质中,甚至是我们普遍认为没有磁性的物质,比如玻璃、石头和塑料。当声子的活动引发原子振动,由此在原子上产生的力会使声子更频繁地相互碰撞。

根据这一新发现,工程师们也许可以通过磁场控制热能和声波。事实上,声波已经可以通过多种声源进行控制,例如超声波成像系统(ultrasound imaging systems),但控制热能要难得多。目前,由热能转变而来的电能或机械能占人类所用能源的90%以上,因此,自由地控制热能对能源生产有巨大的影响。不过,该发现要想投入实际应用也并非朝夕之事。(科学之家,译审/编辑 Mignon)

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