有趣的物理现象和规律

有趣的物理现象和原理

电磁黑洞

顾名思义，所有的光在遇到这个器件的时候，都有去无回。

电磁黑洞实际上是用电磁材料来控制电磁波的路径，来模拟光掉进黑洞时的路径变化。从这个角度来说还是挺有意思的。

电磁黑洞是东南大学崔铁军教授研究小组在普渡大学科学家提出的“光学黑洞”理论方案的基础上用新型人工电磁材料构造的模拟了微波频段的实验装置。该装置在微波频段，模拟黑洞对电磁波的吸收率可达到99%以上。这一新研究构建了吸收电磁波的全新方法，同时又可以控制电磁波的吸收辐射。由于对电磁波的高效吸收性，电磁黑洞可望在电磁隐身等方面获得重要应用。

理论提出：

2009年初，美国普渡大学的伊维根-纳瑞马诺维(Evgenii Narimanov)和亚历山大-基尔迪谢维(Alexander Kildishev)在媒体杂志上发表一项研究，提出如何建造可以吸收光线的桌面黑洞的理论。这种人造黑洞可模拟宇宙黑洞，其强烈的重力可弯曲周围的时空，导致周围任何物质或辐射遵循扭曲的时空，并螺旋向内被吸收。

纳瑞马诺维和基尔迪谢维认为，这种人造黑洞可使光线向该设备中心弯曲吸收。他们设计的人造黑洞是由包含着同轴环壳的中心柱构成的圆柱结构。能使光线弯曲向内的关键因素在于同轴环壳的介电常数，它可以影响电磁波的电成分，增大从外部至内部表面的光滑程度，这类似于接近黑洞的时空的弯曲度。当同轴环壳与中心柱相接触，同轴环的介电常数必须匹配中心柱，因此光线可以被吸收，而不是被反射。

理论应用：

中国南京市东南大学的科学家崔铁军和程强将纳瑞马诺维和基尔迪谢维的理论应用为实践，

建造了一个微波频率的“人造黑洞”。该设备由谐振和非谐振型的新型人工电磁材料构造成60个同轴环，据悉，超级材料曾被用于制造隐身斗篷。每个同轴环是以不同结构的电路板形式形成，同轴环之间彼此相连接，因此其介电常数非常平滑。外部的40个同轴环构成外壳，内部的20个同轴环构成吸收体。

基于新型人工电磁材料的电磁黑洞崔铁军小组所构建的这个人造电磁黑洞通过应用电磁波在非均匀介质中的传播轨迹来类比物质在引力场下弯曲空间中的运动轨迹，并以此模拟黑洞的部分特性。他们的实验结果表明，电磁黑洞能够全向捕捉电磁波，引导电磁波螺旋式地行进，直至被黑洞吸收。在微波频段，黑洞对电磁波的吸收率可达到99%以上。

电磁黑洞应用材料

崔铁军在实验中所用到的新型人工电磁材料（Metamaterial，或称超材料），是指将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料。它与传统材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸的原子或分子。因此，新型人工电磁材料的特性取决于其基本单元结构。人们可以通过人为地设计单元结构来控制材料属性，构成自然界不存在的特殊结构材料，进而控制电磁波的传播。

4、负折射率材料负折射率材料在上个世纪还一直以为是不存在的，现在都造出来了。一般实现负折射介质是采用超材料，当然光子晶体也是可以的。

负折射率材料有很多反直观的特性，比如逆契伦科夫辐射。什么是契伦科夫辐射？契伦科夫辐射一般来说是物体运动速度大于介质里面波的传播速度。这里的波可以是电磁波，声波，水波等。所以摩托艇在水面滑行产生的水纹就是契伦科夫辐射。

飞机超音速飞行时引发的音爆也是由于契伦科夫辐射。在电磁波中：对于折射率为2的介质，电磁波的极限速度为0.5c（c是电磁波在真空中得速度），如果一个高能粒子以0.6c的速度射入这种介质，就会产生所谓的契伦科夫辐射。所以应该是这样的：

注意，在这里能量传播方向跟波的传播方向相同。如果将材料替换为负折射率材料，那么很神奇的事情发生了：

可以看到能量传播方向跟波的传播方向正好相反。还有逆多普勒效应，就是电磁波波源离你远去的时候，你发现它的频率在增加。

韦氏起电机

【物理现象】

本机在静电学实验中用来获得大量的电荷和电压(数万伏)，配合其他仪器以进行有关导

体表面的电荷分布、静电场的电力线、尖端放电和真空管的放电等实验。

【演示方法】

感应起电机在使用时，首先要调整电刷成束状，并使其顺着起电盘旋转的方向保持良好的接触。两电刷的交角等于或小于90。(但不得小于60。)。每个电刷与圆盘的水平直径成45度角(可小于45度，但不得小于30度)。起电机手柄顺时针摇动才能起电。启动时用力不要过猛，正常摇动速度不要超过2r/s。停转时，也不要突然停止，可松开手柄让起电自行停止。当把起电机的高压外接使用时，一定要把两个放电球的间距移到正常放电距离以上，不能使它产生火花放电。

【物理原理】

起电机是利用感应作用来起电的，在通常情况下。由于大气中带电粒子的碰撞，或者以前实验残留下来的电荷，是能够自己带电的，当两个起电盘快速旋转时，带电系统特别是装有绝缘手柄的放电叉的球部分别积聚起升：同电性的电荷。随着起电过程不断交替进行，感应起电的作用越来越强，两个导电系统积聚的不同符号的电荷越来越多，它们之间的电势差也越来越大。