(来源:中国航空报)
现代生活中几乎所有电动机,从你桌上的风扇到电动汽车中的电机,都依赖于磁力。一个多世纪以来,磁场一直主导着电机设计,因为静电力被认为对实用机器来说过于微弱。
这一假设现在正被一类令人惊讶的材料——铁电流体所挑战。这些异常流体对电场反应异常强烈,揭示了科学家曾认为微不足道而无关紧要的效应。
大多数人认为电是通过相反电荷之间的吸引力产生运动。虽然这种静电力确实存在,但通常缺乏驱动日常机器所需的强度。因此,工程师们转向电磁电机,利用电力产生磁场,从而产生旋转运动。
但电场不仅能拉动,它们还可以产生微弱的侧向力,作用于施加电压的垂直方向。在普通材料中,这种效应非常微弱,因此很少引起关注。然而,新的实验表明,在铁电流体中,这种力可以变得异常强大,足以逆重力推动流体,甚至驱动没有磁铁或金属转子的原型电机。
这项研究的关键进展是通过实验证明,这种被忽视的横向静电力在特定条件下可以变得异常强大。
东京科学研究所的西村铃志教授及其团队一直在研究铁电流体,并仔细研究了侧向力。他们将流体置于两个相距仅几毫米的电极之间,然后施加电压。结果很明显:流体侧向移动了近10厘米,并且逆着重力工作。在相同设置下测试的常规流体则没有这种变化。该效应仅出现在铁电流体中。
原力的增长方式也很特别。在普通材料中,升高电压通常不会带来较大的力的增加。对于铁电流体来说,小幅的电压增加会使力成比例上升。电在这种材料中表现得有根本不同的表现。
详细分析显示,电场使流体中的分子成有序排列,从而产生侧向推力。这一发现引出了一个新问题:如果力能推动,它是否也能让物体旋转?基于这一原理,团队制造了一个不需要磁铁或金属转子的原型电机。测试确认,电机能够利用这种新控制的力进行旋转。
谈到这项研究的意义,西村铃志表示:“这种力量理论上早在一百多年前就被预测了,但没有人用肉眼直接看到它。我们的实验表明,电机转子可能不再需要金属制造。这个想法起初难以接受。但当我们信任数据,完全用塑料制造转子时,它确实会旋转。”
这一发现扩展了电机和执行系统的设计方式。如今大多数电磁电机依赖磁铁和铜线圈。这种新方法可以在没有磁铁或稀土金属的情况下产生运动,这在物质资源有限的世界里可能非常有价值。
设计也可以更轻巧、更简洁。由于旋转部件可由树脂制成而非金属,器件可能更轻且响应更快。这可能有助于机器人技术、紧凑型机械和精密系统。
由于电机不依赖磁场,它在磁噪声引发问题的场所也能很好地工作,包括医疗设备和数据存储设备。它的运行电压远低于传统静电器件,这可能使其更安全、更实用。(航柯)