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北京科學中心發布時間：09-2120:04前段時間網上流傳了一個視頻，有人用電磁鐵改變了火焰的形狀。正如上面的動圖中所展示的那樣，電磁鐵被通電時，在中央的空隙產生磁場，火焰隨之變得又短又粗，當斷電撤掉磁場時，火焰又恢復到原來的狀態。視頻一經播出，網友們紛紛嘗試起來，網上由此也出現了一些簡易的版本。雖然裝置簡陋，但我們依然可以看到火焰在兩個磁鐵的作用下變粗的現象。那么，這是怎么回事呢？難不成火焰也有磁性？回答這些問題之前我們首先要了解一下火焰是由什麼構成的。火焰的構成小學或中學的課堂上，我們都學過，一般的火焰是由外焰、內焰、焰心三部分構成。其中外焰溫度最高、內焰其次、焰心溫度最低，形成這種溫度差異的原因是火焰各部分的成分不同。火焰的結構焰心的主要成分是還沒來得及燃燒的可燃氣體。由于這部分本身并沒有開始燃燒，因此也不會主動地釋放熱量，完全靠溫度更高的內焰和外焰把熱量傳遞給它，所以焰心在火焰的各部分中溫度最低。內焰主要由不完全燃燒的氣體構成，可以通過燃燒來釋放一部分熱量。外焰是由完全燃燒的氣體和一部分劇烈運動的等離子體構成，火焰中的大部分熱量都由這部分產生。而外焰中的等離子體就是火焰能受磁場影響的主要原因。神奇的等離子體我們都知道物質有常見的固、液、氣三種狀態，然而除了這三種外，還有等離子體態、液晶態等等。等離子體輝光燈如果我們把氣體持續加熱，使氣體溫度不斷升高，構成氣體的分子就會越來越劇烈地運動，并越來越頻繁地發生碰撞。當分子的運動劇烈到一定程度時，它自身無法再承受如此劇烈的運動與如此頻繁的碰撞，就會發生解體，分離成帶正電和帶負電的幾部分。由于分子整體是電中性的，所以分離出的所有帶負電的部分與所有帶正電的部分各自帶的總電量是相等的，故稱為“等”離子體。所以，簡單來講，等離子體是由許許多多不斷運動的帶正電和負電的粒子（包括離子、質子和電子等）構成，而運動的帶電粒子會在磁場的作用下發生偏轉，這就使得等離子體受磁場的作用發生變化。等離子體在磁場作用下發生變化而火焰的外焰恰恰存在不少等離子體，因此火焰也會受到磁場的作用。洛倫茲力雖然我們搞清楚了火焰形狀在磁場下改變的原因，但為什麼磁場作用下的火焰會變得又短又粗呢？這就不得不提到洛倫茲力的概念。洛倫茲，物理學家洛倫茲力是運動的帶電粒子在磁場中所受的力。物理學家們發現，當一個帶電粒子在磁場中運動時，只要它運動的方向與磁場不同，就會受到來自磁場的作用力，這便是洛倫茲力。奇怪的是，洛倫茲力并不會改變粒子運動速度的大小，而是會改變粒子運動速度的方向。沒有其他約束的話，帶電粒子便會在磁場中螺旋前進。在洛倫茲力作用下不斷偏轉的帶電粒子洛倫茲力方向判斷方法帶電粒子在磁場的作用下發生偏轉正是因為它們受到了洛倫茲力的作用。火焰中的等離子體恰好是由不斷運動的帶電粒子構成的，滿足了洛倫茲力的條件。我們都知道，熱氣流有上升趨勢，火焰中高溫等離子體的運動雖然具有一定隨機性，但總體上是向上運動的。這時，如果在火焰兩側放上磁鐵，即在火焰附近加上磁場，等離子體中帶正、負電的粒子會在洛倫茲力的作用下，分別向與磁場垂直的兩側偏轉。等離子體內正負粒子受力示意圖火焰外焰的主要成分是等離子體，當原本向上運動的等離子體向兩側偏轉時，火焰從整體上看就像被人從兩側拉扁一樣，從原來的瘦長變得又短又粗。當然，以上只是最理想情況下的解釋，忽略了許多細節。火焰中等離子體的運動情況十分復雜，磁場的強弱、兩個磁鐵間隙的氣流、外焰的溫度、燃料的種類等等都會對火焰大小產生影響。火焰變粗過程示意圖感興趣的小伙伴不妨在家里點一根蠟燭，找兩塊磁鐵，在保證安全的前提下，親自動手嘗試做一下這個實驗，看看火苗的形狀到底如何變化。小朋友在做這個實驗的時候一定要有家長陪同哦！等離子體發電機與電磁流量計有的小伙伴可能會問，等離子體和磁場的相互作用雖然有趣，但是有什麼應用呢？火焰在磁場下變得短粗的現象為我們詮釋了帶電粒子在磁場下偏轉的原理，等離子體發電機便是基于同樣的原理。如果我們在高速朝一個方向流淌的等離子體兩端加上強磁場，并在上下加上電極，你會發現電極上產生了電壓。等離子體發電機示意圖這是因為等離子體中的正負帶電粒子受洛倫茲力偏轉后，被上下電極板攔截并收集，電極板收集了帶電粒子所攜帶的電荷，于是自身分別也帶上了正或負電荷。因此，在上下兩個電極板之間形成了電壓。從整體上看，這個裝置就像一個電源，帶正電荷的極板相當于電源正極，帶負電荷的極板相當于電源負極，把電器接在正負極板兩端，即可通電使用。不過，這種裝置雖然原理上可行，但是由于技術上難以實現，還沒有出現在我們的日常生活中。但依照等離子體發電機的構想，人們發明了一種已經大規模應用在生產、生活中的裝置——電磁流量計。電磁流量計中流淌的不再是等離子體，而是日常生活中的水或其他溶解了鹽分的液體。由于溶解了鹽分，這些液體中有許多帶正電和負電的原子團，這些隨液體流動而運動的原子團在磁場下偏轉，并附著在極板上。電磁流量計實物磁場不變時，液體流速越快，極板上聚集的電荷越多，電壓越高，這時候只需要在極板間安裝一個測量電壓的裝置，就可以通過電壓的大小來判斷液體流動的速度，起到測量流速的作用。科技創新與科學發明正是如此，人們通過觀察生活中奇妙的現象，總結出其中的科學原理。這些科學原理看似沒有用途，但人們在經過巧妙構思后往往能以它為靈感設計出巧妙的裝置。然而，有些設計，正如等離子發電機一樣，只是紙上談兵，沒有辦法通過現有的工業技術實現。不過，通過類比、聯想、改良，這些設計往往能應用到讓人意想不到的地方，讓抽象的科學原理最終轉化為實際的產品。誰又能想到，火焰在磁場下變形的實驗與電磁流量計這兩個看似風馬牛不相及的事物之間卻有著如此巧妙的聯系。小伙伴們看完后有沒有深受啟發呢？只要你善于觀察、勤于思考，沒準兒也能做出一些精妙的發明創造呢！

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