宅家做實(shí)驗(yàn)——磁現(xiàn)象與磁化實(shí)驗(yàn)及原理分析

曾慶河 鄒 萍 張軼炳

（寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

宅家做實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)果與磁化理論知識(shí)并不完全吻合.對(duì)磁鐵同極相斥，磁化原理充滿好奇，因此本文中通過網(wǎng)上購物平臺(tái)購買實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)不同形狀、體積、磁性大小的磁鐵進(jìn)行隨意組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn).模擬磁疇的磁化實(shí)驗(yàn)并對(duì)磁化原理進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并對(duì)磁化現(xiàn)象、磁極判斷以及磁現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)了5個(gè)操作性強(qiáng)的宅家實(shí)驗(yàn).

1 模擬磁疇的磁化

將鐵粉平鋪于硬紙板上，讓磁鐵靠近鐵粉，發(fā)現(xiàn)鐵粉被磁鐵吸引，并呈一定形狀分布.猜想鐵粉的分布與什么因素有關(guān)，并進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鐵粉越薄，所呈現(xiàn)的圖案越清晰，如圖1所示.

圖1 模擬磁疇的分布

實(shí)驗(yàn)原理：鐵粉作為一種磁介質(zhì)，在外磁場(chǎng)的磁化下，磁疇的磁化取向趨向外磁場(chǎng)的方向，因此鐵粉的狀態(tài)趨向于磁鐵呈圓心向四周的規(guī)律排布.根據(jù)磁化理論，鐵磁質(zhì)所建立的附加磁化強(qiáng)度B′遠(yuǎn)大于原磁場(chǎng)強(qiáng)度B0，但是由于外磁場(chǎng)本身磁性不強(qiáng)，因此對(duì)鐵粉的充磁效果也不是很明顯.查閱資料發(fā)現(xiàn)，此種實(shí)驗(yàn)方法與磁疇觀察方法中的粉紋法相似，在實(shí)驗(yàn)中，我們無意間卻采用了等效放大的思想借助鐵粉模擬了磁疇的磁化.

實(shí)驗(yàn)意圖：磁鐵吸引鐵粉的是很常見的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谧寣W(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠理解其中相互作用規(guī)律，能夠掌握科學(xué)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠看懂圖像的意義.

2 磁化強(qiáng)度的簡(jiǎn)單判斷

在強(qiáng)磁吸引硬幣的過程中，通過硬幣之間的吸附力簡(jiǎn)單判斷硬幣磁化強(qiáng)度的大小，如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)采用的是型號(hào)D25的吊環(huán)釹鐵硼強(qiáng)磁鐵，屬于硬磁材料，經(jīng)過充磁后具有非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，但是在大于等于80℃會(huì)出現(xiàn)退磁現(xiàn)象.吊環(huán)磁鐵吸引材料為鋼芯鍍鎳的一元硬幣，使硬幣磁化帶有磁性，磁鐵底部為N極，因此硬幣上半部分為S極，下半部分為N極.根據(jù)磁鐵磁化理論，我們可以得出硬幣此時(shí)的磁化磁極及其大小分布情況，圖2中磁化強(qiáng)度從上到下依次減小，最后一枚硬幣磁化后的磁化強(qiáng)度過小，磁引力小于硬幣的重力，因此最終只能懸掛4枚硬幣.

圖2 磁鐵吸引硬幣

實(shí)驗(yàn)意圖：利用強(qiáng)磁可吸附多個(gè)磁性物質(zhì)的特點(diǎn)，學(xué)生可設(shè)計(jì)由強(qiáng)磁組成的掛鉤，增添物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用.

3 尋找無名磁鐵的磁極面

網(wǎng)上購置的鐵氧體黑磁鐵沒有標(biāo)明磁極，將兩塊磁鐵接觸后發(fā)現(xiàn)各個(gè)面能都相互吸引，如圖3所示.那么到底是哪一個(gè)面才是磁鐵的磁極面呢？這激發(fā)了筆者進(jìn)一步探索的欲望，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將兩個(gè)磁鐵沿相反方向旋轉(zhuǎn)，大部分情況下兩塊磁鐵會(huì)分開，只有面積最大的面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后還能夠互相吸引，如圖4所示.

圖3 磁鐵各個(gè)面相互吸引

圖4 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 旋轉(zhuǎn)后磁鐵仍相吸

實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)中所采用的非金屬磁性材料鐵氧體黑磁鐵相比起金屬磁性材料釹鐵硼強(qiáng)磁鐵價(jià)格高昂的特點(diǎn)，鐵氧體具有價(jià)格實(shí)惠、磁性較強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn).通過上述實(shí)驗(yàn)，初步判斷磁鐵的面積最大面為磁極面.圖3中磁鐵各個(gè)面能夠相互吸引，其原因在于相互吸引的兩個(gè)面都存在兩個(gè)磁極，由于異極相吸作用，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后變成同極相斥磁鐵分開.由此可見，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后仍能相互吸引的磁面才是磁鐵的磁極面，而不是通過判斷能夠相互吸引或排斥進(jìn)行磁極面的判斷.

注意事項(xiàng)：此款磁鐵的磁力很大，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意防止夾傷手指，兩磁鐵相互吸引碰撞時(shí)容易產(chǎn)生鐵屑和裂痕，注意防止割傷.磁鐵易碎且容易使電子設(shè)備磁化，因此在實(shí)驗(yàn)完即時(shí)用泡沫紙包好放置于安全位置，并在磁鐵上貼上檢測(cè)出來的磁極方向.

實(shí)驗(yàn)意圖：讓學(xué)生經(jīng)歷磁鐵相互吸引和排斥的多種情況，深入理解磁鐵間相互作用的原理，掌握無名磁極面的判斷方法，鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維.

4 同名磁鐵不一定相斥

在同極相斥、異極相吸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：同名磁極可以相互排斥也可以相互吸引.造成這種現(xiàn)象的原因是什么呢？有趣的現(xiàn)象引起了探究的興趣，于是對(duì)此進(jìn)行探究.實(shí)驗(yàn)的第一部分我們使用釹鐵硼強(qiáng)磁與鐵氧體條形磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將條形磁鐵的兩個(gè)磁極與吊環(huán)強(qiáng)磁的底部接觸發(fā)現(xiàn)都能相互吸引，如圖5所示.

實(shí)驗(yàn)原理：此款鐵氧體條形磁鐵為教學(xué)磁鐵，為安全起見，故設(shè)計(jì)為較弱的磁性.相對(duì)于強(qiáng)磁鐵其矯頑力較小，容易退磁.圖5（a）中的實(shí)驗(yàn)符合學(xué)生“異極相吸”的認(rèn)知范疇.在圖5（b）中分為兩個(gè)過程，當(dāng)二者相距較遠(yuǎn)時(shí)，強(qiáng)磁的磁場(chǎng)對(duì)條形磁鐵的磁場(chǎng)中各磁疇的取向沒有影響，二者同極相斥.但當(dāng)二者繼續(xù)相互靠近時(shí)，在強(qiáng)磁的外磁場(chǎng)的作用下，條形磁鐵中的磁疇發(fā)生變化.其根本原因在于強(qiáng)磁鐵的矯頑力大于條形磁鐵，因此二者相互作用下導(dǎo)致條形磁鐵磁疇受到磁化.這樣就使得條形磁鐵的極性出現(xiàn)變化，使條形磁鐵與強(qiáng)磁鐵的靠近端由原來的同名端變?yōu)楫惷艠O，相互吸引.

圖5 強(qiáng)磁與條形磁鐵相互作用

實(shí)驗(yàn)的第二部分我們用兩個(gè)鐵氧體環(huán)形磁鐵和銅鋅合金做的一角硬幣進(jìn)行實(shí)驗(yàn).將環(huán)形磁鐵在硬幣上后發(fā)現(xiàn)：硬幣的另外一面能夠與環(huán)形磁鐵的兩個(gè)磁極面相互吸引，如圖6所示.按照磁化理論我們知道硬幣接觸磁鐵后將出現(xiàn)磁極分布，那么為何卻能夠吸引不同的磁極呢？

圖6 兩個(gè)環(huán)形磁鐵與硬幣相互作用

實(shí)驗(yàn)原理：圖6（a）中環(huán)形磁鐵吸引硬幣后使硬幣磁化，靠近磁鐵的磁極為N極.將第二個(gè)環(huán)形磁鐵的S極接近時(shí)應(yīng)該是相互排斥的，但是由于硬幣的矯頑力非常小，磁極非常容易改變，在S極靠近時(shí)，該面的磁性改變，因此能夠相互吸引.而圖6（b）中環(huán)形磁鐵與硬幣剛好呈NSNSNS分布.

實(shí)驗(yàn)意圖：同極不一定相斥，這與學(xué)生的認(rèn)知沖突，然而通過磁化原理的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠深入掌握磁化的應(yīng)用和原理，達(dá)到新的認(rèn)知平衡.

5 探究磁懸浮現(xiàn)象原理

磁鐵間同極相斥使磁懸浮成為可能，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)即使是兩個(gè)小磁鐵也不能在沒有外物的輔助下穩(wěn)定的懸浮.因此，我們只能通過工具如牙簽進(jìn)行輔助，在同極相斥的作用下，磁鐵能夠懸浮在半空中，如圖7所示.但是由于受力不均勻，因此上下兩磁極面不能夠平行.

圖7 單個(gè)磁鐵的懸浮

受上述實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，我們想通過制造簡(jiǎn)易的模型模擬磁懸浮列車的懸浮原理.經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)確定了最為簡(jiǎn)易的模型，制作方法如下：取一個(gè)泡沫板，先挖4個(gè)小洞作為固定環(huán)形磁鐵的位置，再擺磁鐵，磁鐵的方向應(yīng)為兩兩朝同一個(gè)方向.接下來用一張小紙張卷成棒前后穿入環(huán)形磁鐵，穿入時(shí)確保環(huán)形磁鐵放置下方兩個(gè)環(huán)形磁鐵的上方時(shí)是處于相互排斥的狀態(tài).在實(shí)驗(yàn)中上方的環(huán)形磁鐵狀態(tài)很不穩(wěn)定，容易跑偏，因此需要靠著泡沫板尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，如圖8.

圖8 磁懸浮原理的簡(jiǎn)單模擬

實(shí)驗(yàn)原理：磁懸浮列車是在“同極相斥”原理進(jìn)一步深入運(yùn)用.磁懸浮列車是利用“同名磁極相互排斥”的原理設(shè)計(jì)一種排斥力懸浮系統(tǒng)，利用列車兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的懸浮電磁鐵與軌道上的磁鐵二者由于磁場(chǎng)的排斥力使車輛懸浮，此時(shí)列車的重力與軌道產(chǎn)生磁力的排斥力平衡，列車處于懸浮狀態(tài).磁懸浮列車所帶有的磁鐵是由通電后的軟磁金屬材料做成的電磁鐵，在交流電變換過程中，軟磁能夠快速消磁充磁.

拓展應(yīng)用：列車前進(jìn)時(shí)的動(dòng)力也與磁體相互作用有關(guān)，位于軌道兩側(cè)的線圈流動(dòng)的交流電將線圈轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶朋w，與列車上的電磁體相互作用，從而驅(qū)動(dòng)列車.列車頭部的電磁體N極被安置在靠前的軌道上電磁體S極所吸引，同時(shí)又被安裝在軌道稍后一點(diǎn)的電磁體N極所排斥.列車前進(jìn)時(shí)，線圈流動(dòng)的電流方向反過來，導(dǎo)致原本的磁極方向相反，周而復(fù)始，列車向前前進(jìn)，如圖9所示.

圖9 磁懸浮列車行進(jìn)原理圖

實(shí)驗(yàn)意圖：幫助學(xué)生理解磁懸浮的原理，認(rèn)識(shí)生活中的磁懸浮列車的工作原理，學(xué)生通過簡(jiǎn)易的磁懸浮現(xiàn)象鍛煉思考和動(dòng)手能力.