靜磁屏蔽現(xiàn)象探究

丁晨鑫 王國陽 蘇波 盧迎 毛守瑩 劉政言

摘 要：靜磁屏蔽被應(yīng)用于靈敏儀器保護，是一個重要的物理概念，文章設(shè)計了一種簡單直觀的方法來探究靜磁屏蔽現(xiàn)象。用指南針、磁石及兩個分別為鐵質(zhì)和鋁制的金屬盒子，來探究金屬對外部靜磁場的屏蔽作用，初步得到靜磁屏蔽效果與屏蔽盒子的材料有關(guān)，鐵質(zhì)金屬盒子對靜磁場有屏蔽作用的結(jié)論。本研究為靜磁屏蔽現(xiàn)象的演示和推廣提供了新的可行性方法。

關(guān)鍵詞：靜磁屏蔽;小磁針;屏蔽盒;角度

中圖分類號：O441.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-003-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.002

目前，電磁場污染嚴重，許多靈敏器件需要被保護，靜磁屏蔽的作用就是防止外磁場進入被保護區(qū)域。目前，人們熟知靜電屏蔽，但鮮有與靜磁屏蔽有關(guān)的報道。這主要是因為其表現(xiàn)不易被展現(xiàn)或不夠直觀，所以在課堂和生活中沒有被廣泛演示。趙靜、許利軍[1]從屏蔽原理出發(fā)，探討了屏蔽材料的性能和應(yīng)用場合，簡要介紹了電磁屏蔽技術(shù)。過祥龍[2]用直圓筒來做靜磁屏蔽實驗，用鐵屑來表征磁場，但鐵屑細小、不易操作且實驗后不易清理，不是理想的演示方法。蔣守培[3]分析了三種電磁屏蔽的屏蔽殼特性，提出可將一塊超導(dǎo)體放在外磁場中，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強B永遠為零。雖然超導(dǎo)體可以做到完美的靜磁屏蔽，但是現(xiàn)在還不能普遍應(yīng)用。目前，對于靜磁屏蔽的概念及原理已經(jīng)有了深入的研究，但是對于靜磁屏蔽的課堂演示和普及較少。文章設(shè)計了一種簡單直觀的方法，用小磁針的偏轉(zhuǎn)角度來表征靜磁屏蔽效果，并通過實驗證明了該方法的可行性，為靜磁屏蔽的演示和推廣提出了新的角度。

1 實驗原理

1.1 靜磁場

靜磁場是穩(wěn)恒電流或永久磁體產(chǎn)生的磁場，本研究用永久磁體來產(chǎn)生靜磁場。

1.2 靜磁屏蔽原理

將鐵磁材料與要屏蔽的空間看作并聯(lián)磁路，鐵磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率要大幾千倍，外磁場的磁感應(yīng)線的絕大部分將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過，而進入空腔的磁通量極少[4]，靜磁屏蔽原理示意圖如圖1所示。這樣，被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒有了外磁場，從而達到靜磁屏蔽的目的[5]。

2 實驗儀器與內(nèi)容

2.1 實驗儀器

本研究用磁石產(chǎn)生靜磁場充當外部的干擾磁場，將鐵質(zhì)正方形盒子（9.8cm×9.8cm×9.8cm，厚0.5mm）和鋁制正方形盒子（9.8cm×9.8cm×9.8cm，厚0.5mm）作為屏蔽盒子，由指南針的轉(zhuǎn)動判斷靜磁屏蔽效果，指南針轉(zhuǎn)過角度由量角器讀出。

2.2 實驗內(nèi)容

首先，將小磁針放在量角器中心處，再將永久磁體靠近小磁針，分別測量小磁針靜止時N極指向的角度。將小磁針放在屏蔽盒正中央，再將永久磁體靠近鐵盒，小磁針靜止時用量角器分別測量有無磁體時的N極指向。這時，通過前兩步得到小磁針在有靜磁場干擾和無靜磁場干擾時的角度值，通過后兩步得到小磁針被屏蔽盒子保護后的有靜磁干擾和無靜磁干擾時的角度值。將鐵盒換為鋁盒重復(fù)上述步驟。鐵質(zhì)屏蔽盒實驗內(nèi)容示意圖如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

表1和表2分別為用鐵質(zhì)和鋁質(zhì)材料充當屏蔽盒子進行實驗的實驗數(shù)據(jù)。第二列和第三列分別是小磁針在無靜磁場干擾和有靜磁場干擾時的小磁針指向角度。第四列是有靜磁場干擾和無靜磁場干擾時小磁針指向的差值，體現(xiàn)出外加靜磁場的干擾對小磁針指向產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)量。第五列和第六列分別是小磁針被屏蔽盒保護后的無靜磁場干擾和有靜磁場干擾時的小磁針指向角度。最后一列是小磁針被屏蔽盒保護后的有靜磁場時和無靜磁場時小磁針指向的差值，體現(xiàn)出有屏蔽盒子保護時外加靜磁場的干擾對小磁針指向產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)量。表1中第四列的平均值為176度，可以初步得出外加靜磁場對小磁針指向的正確性產(chǎn)生了強烈的干擾，幾乎使小磁針指向相反;表1中的最后一列的平均值為53度，可以得出當應(yīng)用鐵質(zhì)屏蔽盒子時，外加靜磁場對小磁針指向的干擾減弱，鐵質(zhì)屏蔽盒子可以起到靜磁屏蔽的作用。采用類似地分析，表2中的第四列和最后一列的平均值為177度和175度，兩數(shù)值近似，可以得出當應(yīng)用鋁制屏蔽盒時，并不能起到屏蔽作用。所以初步得出結(jié)論，大小厚度相同的金屬盒對靜磁場的屏蔽作用不同，鐵盒子具有屏蔽效果，進而可以說明金屬的屏蔽效果與金屬材質(zhì)有關(guān)。

3 結(jié)語

該研究利用指南針的特性表征屏蔽作用。指南針自然放置時，指南針指向南北方向。當在外部加入靜磁干擾時，小磁針指向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏離南北方向。這時，在小磁針外部加上金屬屏蔽盒子，小磁針向正確指向偏轉(zhuǎn)，說明屏蔽盒子減弱了外部磁場干擾，證實了小磁針和金屬盒子配合可以證明靜磁屏蔽現(xiàn)象。該研究具有原理簡單、材料易得、操作方便、結(jié)果直觀等優(yōu)點，可以應(yīng)用于實際的課堂演示，為靜磁屏蔽這一知識的普及和講解提供了一種可行的方法。

參考文獻

[1] 趙靜，許利軍.關(guān)于電磁屏蔽原理與技術(shù)的探討[J].科協(xié)論壇，2011（1）：92-93.

[2] 過祥龍.靜磁屏蔽實驗[J].物理實驗，1989（6）：249-250，280-281.

[3] 蔣守培.三種電磁屏蔽[J].物理教學(xué)探討，2014，32（466）：62-63.

[4] 王春燕，劉亞民.三種電磁屏蔽的分析[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報，2008（2）：68-69.

[5] 竇超.淺談電磁場屏蔽[J].科技視界，2012（15）：36-37.