探究磁鐵在幾種特殊環(huán)境下磁力的變化情況

王昊澤

摘要：本文通過實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)于磁鐵有了更加深刻和全面的理解，而利用磁鐵的這些特殊性質(zhì)，在安全開關(guān)、防火滅火等方面將會(huì)發(fā)揮很大作用，真正把科學(xué)知識(shí)服務(wù)于生活。

關(guān)鍵詞：探究磁鐵；磁力；實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簽榱颂骄看盆F磁性受高溫與強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境的影響程度，并且找到U形磁鐵的居里溫度。了解為失去磁性的磁鐵重新充磁后的磁力變化。

實(shí)驗(yàn)材料：

永磁鐵：兩塊，分別為U形和條形。

高斯計(jì)：410型，最小分辨率為0.1GS，量程為2000GS。

電源：直流穩(wěn)流電源，最大輸出電流為400A，最大輸出電壓為50V。

兩極直流電磁鐵。

RJX25—13型箱式高溫電爐（最高加熱溫度為1350℃）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

用高斯計(jì)測(cè)量一塊U形磁鐵和一塊長(zhǎng)條形磁鐵，分別放入強(qiáng)磁場(chǎng)及高溫環(huán)境中，不斷改變輸入電磁鐵的電流和電爐溫度，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)最后進(jìn)行分析。把失去磁性的磁鐵放入直流電磁鐵中進(jìn)行充磁。

二、實(shí)驗(yàn)猜想

在日常生活中原本磁力很強(qiáng)的磁鐵由于在強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下磁力的方向以及大小會(huì)發(fā)生變化，例如小磁鐵在兩塊大磁鐵的干擾下磁力會(huì)有所減弱；磁鐵放在爐子旁，磁力也會(huì)有所減弱；鐵釘吸附在磁鐵上，經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)有磁性。通過查閱資料，我知道每一塊磁鐵都有不同的居里溫度（即磁鐵在該溫度下會(huì)失去磁性），而我們?cè)趯W(xué)習(xí)中常見到的磁鐵的居里溫度是多少呢？

帶著生活、學(xué)習(xí)中許許多多有關(guān)磁鐵磁力減弱、消失、產(chǎn)生的種種疑問，我進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)，并且得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

經(jīng)過認(rèn)真的分析以及查找資料我發(fā)現(xiàn)，使磁鐵的磁力減弱或消失的條件有：高溫環(huán)境、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境以及強(qiáng)烈震動(dòng)等。所以著重對(duì)高溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)兩種環(huán)境下磁鐵磁力減弱或消失的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)的目的是發(fā)現(xiàn)磁鐵在高溫環(huán)境下磁力的變化情況，并盡可能地發(fā)現(xiàn)其中的一些規(guī)律。

用高斯計(jì)對(duì)磁鐵進(jìn)行磁場(chǎng)值的測(cè)量。為了使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，我采用了一個(gè)磁極多點(diǎn)測(cè)量的辦法，即以一個(gè)磁極的中點(diǎn)為主要測(cè)量點(diǎn)，把磁鐵四角的四個(gè)點(diǎn)作為輔助測(cè)量點(diǎn)，具體點(diǎn)的命名是：N極的四角分別為A、B、C、D；S極的四角分別為E、F、 G、H；N極的中點(diǎn)為P，S極的中點(diǎn)為Q。

三、實(shí)驗(yàn)過程

1、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中先用高斯計(jì)測(cè)量了條形型鐵N、S兩極的磁場(chǎng)值，接著我們將其放入了直流電磁場(chǎng)中，這時(shí)將經(jīng)穩(wěn)流電源整流、濾波后的直流電通給直流電磁場(chǎng)一定安培的電流，用高斯表測(cè)量強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁場(chǎng)值，之后關(guān)閉穩(wěn)流電源，拿出條形磁鐵，再次用高斯表測(cè)量其N極、S極的磁場(chǎng)值的大小，進(jìn)行對(duì)比之后，重復(fù)以上步驟，只是逐步增大其輸入電流，記錄不同的數(shù)值之后畫出曲線圖，通過曲線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)最終測(cè)量出來數(shù)據(jù)基本符合我的預(yù)料，在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的曲線較為不規(guī)律。對(duì)照曲線圖可以看到對(duì)電磁鐵所加電流小于20A時(shí)，磁鐵正負(fù)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)值變化不大，磁極也沒有發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入電流大于20A時(shí)，磁鐵的磁極以及磁場(chǎng)值發(fā)生了許多變化，N極的五個(gè)測(cè)量點(diǎn)大幅度減小，平均都在六分之一到七分之一左右，而S極也發(fā)生了許多變化，輸入電流由1 8A變?yōu)?1A時(shí)，S極的Q點(diǎn)由-319GS變?yōu)?2GS。另外，不但數(shù)值發(fā)生了很大的變化，極性也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在測(cè)量的五個(gè)點(diǎn)中有三個(gè)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，之所以兩極的磁場(chǎng)值發(fā)生巨大的變化，是因?yàn)檩斎胫绷麟姶艌?chǎng)的電流是21A時(shí)，電磁鐵中的磁場(chǎng)值明顯超過了磁鐵兩極的磁場(chǎng)值，所以會(huì)對(duì)磁鐵產(chǎn)生很大的影響。在后來的幾次測(cè)量中，磁極的磁場(chǎng)值變化都不是很大，直至將輸入電流增加到40A時(shí)，N極的幾個(gè)輔助測(cè)量點(diǎn)都發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，主測(cè)量點(diǎn)的值也已經(jīng)變得很小，而S極的磁場(chǎng)值也已經(jīng)完全成為正值，這說明磁鐵的兩極在此時(shí)已經(jīng)完全發(fā)生了變化。緊接著就將輸入電流增大至200A，這時(shí)電磁鐵內(nèi)的磁場(chǎng)值是輸入電流為40A時(shí)的10倍，這時(shí)的磁鐵的磁極已經(jīng)與外面的涂漆標(biāo)志相反了，這塊磁鐵的涂漆為S一端已經(jīng)可以和一塊正常的磁鐵涂漆為S的那一端相吸引了。

2、高溫環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)。為了發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)于磁鐵磁力的影響，我們采用高溫電爐對(duì)磁鐵進(jìn)行加熱，用高斯計(jì)對(duì)磁鐵的磁場(chǎng)值進(jìn)行測(cè)量，以溫度每升高20℃為界限對(duì)磁鐵進(jìn)行測(cè)量，通過查資料我了解到磁鐵在高溫時(shí)與降溫后的磁場(chǎng)值變化不大，所以測(cè)量磁鐵時(shí)都是在磁鐵從電爐中拿出用水冷卻后才進(jìn)行測(cè)量的。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可以明顯看到N、S極的P、Q點(diǎn)的磁場(chǎng)值都是隨著溫度的上升而下降的，當(dāng)溫度在220℃～300℃之間時(shí)磁場(chǎng)值下降最快，當(dāng)爐內(nèi)溫度到達(dá)300℃左右時(shí)，磁鐵被加熱到340℃時(shí)，磁鐵兩極的磁場(chǎng)值都降至很小，溫度到360℃時(shí)，兩極磁場(chǎng)值均變?yōu)?。

3、對(duì)U形磁鐵重新充磁的實(shí)驗(yàn)。最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我打算對(duì)已經(jīng)完全失去磁性的磁鐵放入直流電磁鐵中進(jìn)行充磁，把它按照一定的方向放入，然后再給電磁鐵通上400A的電流，五秒鐘后將電磁鐵斷電，用高斯計(jì)測(cè)量，測(cè)得數(shù)據(jù)S為-92.8GS，N為77.6GS，雖然它的磁場(chǎng)值沒有實(shí)驗(yàn)前大，但現(xiàn)在仍有一定磁性，可以吸引起小塊金屬。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

磁鐵在高溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下磁力會(huì)發(fā)生變化：磁鐵在高溫環(huán)境下磁力會(huì)減弱直至消失；磁鐵的磁場(chǎng)方向在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下會(huì)發(fā)生變化，甚至發(fā)生磁極的偏轉(zhuǎn)；沒有磁性的金屬在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下會(huì)具有一定的磁力。

五、實(shí)驗(yàn)分析

在外界強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，有些物質(zhì)內(nèi)部原本的、各自運(yùn)動(dòng)的電子，全部排列整齊，而此時(shí)，電子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁效應(yīng)與外界磁場(chǎng)方向一致，物質(zhì)便呈現(xiàn)出磁性。同理，若是讓正常的磁鐵處在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，磁鐵內(nèi)部的電子旋轉(zhuǎn)的磁效應(yīng)與外界磁場(chǎng)方向不同，所以磁鐵內(nèi)部的一部分電子旋轉(zhuǎn)的取向會(huì)受到外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾而發(fā)生變化，這時(shí)磁鐵內(nèi)部的電子旋轉(zhuǎn)的取向不同，一部分分子電流互相抵消，使磁鐵內(nèi)部的磁場(chǎng)方向發(fā)生很大的變化，甚至發(fā)生磁極偏轉(zhuǎn)。而磁鐵在高溫環(huán)境下磁力消失是因?yàn)榇盆F內(nèi)的分子在高溫環(huán)境下熱運(yùn)動(dòng)會(huì)加快，改變了電子運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)律性，會(huì)使分子電流互相抵消，從而使磁鐵的磁力減弱直至消失。對(duì)磁鐵進(jìn)行重新充磁，使原子的電子排列重新具有規(guī)律性，而使失去磁性的磁鐵重新具有磁力。

六、實(shí)驗(yàn)感悟

通過這次實(shí)驗(yàn)過程，我對(duì)于磁鐵有了更加深刻和全面的理解，而利用磁鐵的這些特殊性質(zhì)，在安全開關(guān)、防火滅火等方面將會(huì)發(fā)揮很大作用，真正把科學(xué)知識(shí)服務(wù)于生活。