1997年，荷兰奈梅亨大学高场磁体实验室的科学家，用一台16特斯拉强磁场装置，把一只活青蛙悬浮在了空中。
青蛙悬浮在强磁场中
生物体主要由水构成，而水具有弱抗磁性，在足够强的磁场中会受到排斥，因此能够悬浮。
那么，需要多强的永磁体，才能做到这一点？
答案可能出乎意料——再强的永磁体也不行。一块普通钕铁硼强力磁铁的表面磁场大约在几千高斯（零点几个特斯拉）的量级，而青蛙悬浮需要的16特斯拉，比它整整高出两个数量级。就算你找来一块巨大的钕铁硼磁铁，也远远做不到。
原因，要从永磁体的物理极限说起。
一、单块磁铁的磁场能有多强？
在任何一份钕铁硼牌号表中，最高商用牌号（比如N54）的剩磁Br在1.5特斯拉左右——这是目前永磁材料的性能顶点。是不是意味着一块高性能钕铁硼强力磁铁的表磁能达到这么高？
用高斯计去测一块N52钕铁硼磁铁的表磁，读数往往只有4000–6000高斯，也就是0.4–0.6特斯拉——不到剩磁数值的一半。
永磁体本身就是磁场源。它的N极发出磁力线，绕一圈从S极回到自身内部。当磁体处于开路状态时，磁力线必须经过空气返回另一磁极，由此在磁体内部形成与磁化方向相反的退磁场。
磁铁退磁场示意图（蓝色箭头D）
磁体对外能够贡献的磁场，就是剩磁扣除退磁场影响之后的结果。因此，单块永磁体在开路状态下，表磁几乎不可能突破1特斯拉。这个数字与16特斯拉相比，仍相差两个数量级。
二、磁路设计：三种典型手段
单块磁铁的表磁受退磁场限制，最多也就几千高斯。想突破这个数字，要在磁路的结构上想办法——工程师有三种典型的技术路径。
第一种：磁轭结构
用软磁材料（俗称磁轭，通常是低碳钢、电工纯铁等）在磁体周围构成一个闭合的导磁回路。磁轭能够减少漏磁，并将磁通集中到工作气隙，从而显著提高磁场强度。
同一块钕铁硼磁体，开路状态时表磁约3000高斯，配合合理设计的U型磁轭后，气隙磁场可提升至8000高斯以上。
U形磁路磁场分布示意图
各种磁轭结构永磁组件
第二种：聚磁结构
如果说磁轭是"顺势疏导"磁通，那聚磁则是"强行叠加"磁场——利用多块磁体同磁极对顶，让相斥的磁场被强行压在一起，再配合极靴（软磁材料制成的导磁片）进一步汇聚磁通，从而获得远高于单块磁体表磁的局部磁场。
磁力棒就是典型应用。Ø25 mm规格产品表面磁场可达10000–13000高斯，广泛用于锂电、食品和制药行业的磁性过滤。
磁力棒磁场分布示意图
平面型聚磁结构示意图
第三种：Halbach阵列
Halbach阵列是通过多块磁体自身充磁方向的周期性旋转排列，让磁场在一侧叠加增强、另一侧几乎抵消为零。这种“单侧强化”的效果完全由磁体自身完成，不需要磁轭，也不需要对顶挤压。
它结构紧凑，无需磁轭，且气隙磁场分布更加均匀，因此广泛用于伺服电机、磁悬浮系统和精密仪器。在理想设计条件下，环形Halbach结构的内腔磁场甚至可以接近或略超过材料Br值——也就是1.5特斯拉以上的水平。
直线形、环形、球形Halbach阵列结构示意图
三、永磁体的极限，到底在哪里？
现在可以回答开头那个问题了：永磁体能不能悬浮青蛙？答案是不能，但比大多数人想象的要接近。
综合运用磁轭、聚磁和Halbach阵列等磁路设计手段后，永磁装置在小气隙内可达到约1.5-2特斯拉，是单块钕铁硼磁铁表磁的三至五倍。这是目前工业产品中较为常见的磁场水平。
但工程师并没有止步于此。永磁组件曾被认为很难突破2特斯拉，而近二十年来，多个国际研究团队一直在刷新这一纪录。2001年，日本工程师Kumada团队用扩展Halbach结构加饱和铁极靴，在8毫米孔径内做到了4.45特斯拉的永磁磁场——这个数字是当时钕铁硼剩磁的3倍以上。
日本Kumada 2001年Halbach永磁组件（内部磁场4.45T）
仅仅一年后，法国ESRF的Bloch用一个120毫米的稀土永磁球形结构，在仅0.15毫米的极小气隙里测到了5特斯拉的峰值。
法国Bloch球形永磁组件（内部磁场5T）
2003年，Kumada团队再次在2毫米气隙内实现了5.16特斯拉——这是目前公开报道过的室温永磁装置最高磁场纪录。
日本Kumada 2003年Halbach永磁组件（内部磁场5.16T）
这些装置往往需要极其复杂的多级磁路、大量高性能磁体、极小的工作气隙，以及极高的加工装配精度——距离普通工业产品还有很大距离，但它们不断刷新着永磁结构装置能够达到的磁场极限。
即便如此，这距离16特斯拉仍有明显差距。悬浮青蛙，仍然要靠超导磁体登场。
而超导磁场的世界，远比想象中更为辽阔：
中国科学院合肥物质科学研究院的稳态强磁场实验装置在2022年做到了45.22特斯拉的混合磁场；
美国国家高磁场实验室在2019年用高温超导材料创下45.5特斯拉的直流磁场纪录；
而更极限的100特斯拉脉冲磁场早在2012年就已由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室实现——只是这样的磁场只能维持15毫秒。
中国科学院合肥物质科学研究院的稳态强磁场实验装置
把所有这些数字放在一张图里，磁场技术的完整光谱就清楚了：
不过，永磁技术的极限并不是一个固定数字。从铝镍钴、铁氧体到钐钴、钕铁硼，材料性能不断提升；而随着仿真软件、优化算法和制造工艺的发展，越来越复杂的磁路结构也逐渐走向工程应用，永磁体能够达到的磁场峰值因此持续提高。
那只1997年悬浮在空中的青蛙，让人们看见了强磁场的无限可能。而永磁工程师，则始终在有限的材料性能中，不断逼近属于永磁体的极限。
参考链接：
https://cerncourier.com/a/magnets-become-more-compact/
https://cern-courier.web.cern.ch/a/record-breaking-magnet-has-five-tesla-field/
https://proceedings.jacow.org/p03/PAPERS/WPAE024.PDF
https://www.hf.cas.cn/kxyj/dkxzz/202009/t20200921_5701192.html
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发布时间: 26-07-29