環形磁鐵演示儀的設計與研究

方必成 金春輝 盛 涵 樓子謙 呼格吉樂湖州師范學院 理學院物理實驗教學示范中心 浙江湖州 313000

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環形磁鐵演示儀的設計與研究

方必成 金春輝 盛 涵 樓子謙 呼格吉樂
湖州師范學院 理學院物理實驗教學示范中心 浙江湖州 313000

訓練計劃“實驗室開放項目”資助

【文章摘要】

基于對環形磁鐵的深入研究，研制出了“環形磁鐵演示儀”模型。設計制作的此款環形磁鐵演示儀能夠很好地解決分析研究環形磁鐵磁感線分布情況，可以使人們更清晰、直觀地觀察，利于更進一步探究環形磁鐵的磁場分布。本文詳細介紹了此款環形磁鐵演示儀的設計與制作。

【關鍵詞】

環形磁鐵；模型；小磁針；使用說明

引言

作為一種人工磁化而制成的磁鐵，環形磁鐵有其本身特別的優點和用處，研究它的磁場分布對了解環形磁鐵的性質有著重要的意義。在高中物理教學中，磁場力是重要內容之一，但對于環形磁鐵的磁場分布，沒有相應的演示儀器。部分學生在解這類問題時，缺乏感性知識，總是半信半疑。同時磁場內容，在電磁學中是很重要的一部分。環形磁鐵在日常生活中有很大的作用，如耳機，揚聲器中的使用。在平常教學中只對條形磁鐵等常見磁鐵的研究而缺少對環形磁鐵的深入探究，也就缺少演示環形磁鐵磁感線的具體分布的演示儀。設計制作該演示儀是為使環形磁鐵磁感線分布情況更清晰、直觀的觀察到，對環形磁鐵磁場分布的進一步探究提供方便。

1　功能簡介

“環形磁鐵演示儀”模型中，將許多的磁化良好地小磁針制釘在透明的塑料板上，正反面間隔的釘，可以直觀清晰地演示出此時環形磁鐵的磁感線的分布情況。上下移動模型中連接環形磁鐵的桿，小磁針會隨著環形磁鐵移動演示出磁鐵移動后空間磁感線的分布。直觀形象的解決了環形磁鐵磁感線分布的問題。

2　“環形磁鐵演示儀”的主要結構和實物圖

圖1　“環形磁鐵磁感線演示儀”模型結構圖

本模型主要是環形磁鐵（強磁）、透明塑料板、塑料棒、小磁針等制成。

圖2　“環形磁鐵磁感線演示儀”實物圖

3　“環形磁鐵演示儀”的物理原理分析

物理模型“環形磁鐵磁感線演示儀”，在其物理模型的基礎上，研究環形磁鐵磁感線的大致分布，在研究其原理，探究其原理的性能與應用。

3.1磁場的產生和制作

磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性，由運動電荷或電場的變化而產生的。鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質有所不同，它內部的電子自旋可以在小范圍內自發地排列起來，形成一個自發磁化區，這種自發磁化區就叫磁疇。人造磁鐵通常是用鋼或某種合金制成的，根據需要有條形磁鐵、針形磁鐵、蹄形磁鐵、圓形磁鐵和其他各種形狀。

3.2小磁針演示環形磁鐵周圍的磁場分布

小磁針是帶有一定磁性的針。將針在磁鐵上摩擦數次，使其產生一定的磁性。小磁針具有一定的磁性，能夠感受到磁鐵周圍的磁場。與鐵粉演示環形磁鐵周圍磁感線的原理一樣，也能演示環形磁鐵周圍的磁感線。磁場對放入其中小磁針有相互作用，并且小磁針具有可以明顯區分的南北極，小磁針靜止時N極的指向就是該點磁場的方向，利用小磁針模擬環形磁鐵周圍磁感線的分布更清晰，因此也更能直觀的知道環形磁鐵周圍磁場的分布情況。

所以環形磁鐵磁感線演示儀，利用磁場的一些基本的性質，采用受磁化較好的小磁針，能生動形象地來演示環形磁鐵周圍磁場的分布情況，以更清晰更直觀的方式表現出來。

4　“環形磁鐵演示儀”的制作方法

（1）取一塊塑料板，切割出六塊矩形（5cm×10cm）和兩個圓（R=4cm）

（2）加工矩形塑料板，打磨一長邊具有一定弧形。用電鉆在塑料板上打孔備用。

（3）取吸管，剪成長約為1cm備用。

（4）取一塊塑料板，將1cm長吸管插入塑料板小孔中，套上經過一星期磁化過的小磁針，所有磁針的正面朝同一方向。在一塊塑料板上，正反兩面間隔套上小磁針，避免磁針間的碰撞所產生的影響。用電烙鐵熔化吸管吸管兩頭，并壓成圓餅狀，以防止小磁針脫落。以此方法完成其余五塊。

（5）取一塑料圓，在中心鉆孔（r=0.5cm）備用。

（6）取一根半徑為0.5cm，長為8cm的塑料棒，一端固定在環形磁鐵上，備用。

（7）將六片裝有小磁針的塑料板均勻的安裝在一片圓形塑料板上；將固定有塑料棒的環形磁鐵放入六片塑料板的中心（塑料棒朝上）；取另一片圓塑料板（中心有小孔），蓋在它們之上（塑料棒穿過小孔）并固定。

（8）做適當細節處理，打磨美觀等，最后完成環形磁鐵演示儀的制作。

5　“環形磁鐵演示儀”的性能及用途

（1）環形磁鐵演示儀毫無危險性，可靠性和安全性高，可大膽使用。原材料易得，大部分可從生活中找到，如塑料板，細吸管等等。

（2）環形磁鐵演示儀經久耐用，可操作性強，能很好的演示，現象明顯，觀賞性極高。可以隨時隨地進行演示，能夠非常清晰直觀演示出環形磁鐵的磁場分布情況。

（3）環形磁鐵演示儀操作簡單，可適合各文化層次人員的交流，學習和研究以及娛樂等用。

（4）環形磁鐵演示儀可以深入探究環形磁鐵的磁場，進一步了解環形磁鐵的磁場，為環形磁鐵應用做準備。

【參考文獻】

［1］王瑞凱，左洪福，呂萌.《環形磁鐵空間磁場的解析計算與仿真》［J］.航空計算技術2011（05）

［2］程紅《再探“環形磁鐵”磁場問題》［J］.物理教學探討2005（21）

基金項目：湖州師范學院大學生創新創業

【作者簡介】

方必成（1994-），男，浙江義烏人，湖州師范學院理學院物理學專業13級學生。

指導老師：呼格吉樂（1980-），男，蒙古族，內蒙古通遼人，高級實驗師，工程碩士學位，湖州師范學院省級物理實驗教學示范中心，從事物理實驗教學與物理教學儀器開發。