探究磁鐵在幾種特殊環境下磁力的變化情況

王昊澤

摘要：本文通過實驗過程，對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，在安全開關、防火滅火等方面將會發揮很大作用，真正把科學知識服務于生活。

關鍵詞：探究磁鐵；磁力；實驗

一、實驗準備

實驗目的：為了探究磁鐵磁性受高溫與強磁場環境的影響程度，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。

實驗材料：

永磁鐵：兩塊，分別為U形和條形。

高斯計：410型，最小分辨率為0.1GS，量程為2000GS。

電源：直流穩流電源，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℃）。

實驗設計：

用高斯計測量一塊U形磁鐵和一塊長條形磁鐵，分別放入強磁場及高溫環境中，不斷改變輸入電磁鐵的電流和電爐溫度，同時記錄數據最后進行分析。把失去磁性的磁鐵放入直流電磁鐵中進行充磁。

二、實驗猜想

在日常生活中原本磁力很強的磁鐵由于在強磁場的環境下磁力的方向以及大小會發生變化，例如小磁鐵在兩塊大磁鐵的干擾下磁力會有所減弱；磁鐵放在爐子旁，磁力也會有所減弱；鐵釘吸附在磁鐵上，經過一段時間后會有磁性。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失去磁性），而我們在學習中常見到的磁鐵的居里溫度是多少呢？

帶著生活、學習中許許多多有關磁鐵磁力減弱、消失、產生的種種疑問，我進行了具體的實驗，并且得到了較為準確的結論。

經過認真的分析以及查找資料我發現，使磁鐵的磁力減弱或消失的條件有：高溫環境、強磁場環境以及強烈震動等。所以著重對高溫以及強磁場兩種環境下磁鐵磁力減弱或消失的情況進行了實驗；實驗的目的是發現磁鐵在高溫環境下磁力的變化情況，并盡可能地發現其中的一些規律。

用高斯計對磁鐵進行磁場值的測量。為了使數據更加準確，我采用了一個磁極多點測量的辦法，即以一個磁極的中點為主要測量點，把磁鐵四角的四個點作為輔助測量點，具體點的命名是：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極的中點為P，S極的中點為Q。

三、實驗過程

1、強磁場環境下的實驗。我們在實驗室中先用高斯計測量了條形型鐵N、S兩極的磁場值，接著我們將其放入了直流電磁場中，這時將經穩流電源整流、濾波后的直流電通給直流電磁場一定安培的電流，用高斯表測量強磁場內的磁場值，之后關閉穩流電源，拿出條形磁鐵，再次用高斯表測量其N極、S極的磁場值的大小，進行對比之后，重復以上步驟，只是逐步增大其輸入電流，記錄不同的數值之后畫出曲線圖，通過曲線對數據進行分析。

這個實驗最終測量出來數據基本符合我的預料，在強磁場環境下的數據所呈現的曲線較為不規律。對照曲線圖可以看到對電磁鐵所加電流小于20A時，磁鐵正負磁場的磁場值變化不大，磁極也沒有發生任何偏轉，當輸入電流大于20A時，磁鐵的磁極以及磁場值發生了許多變化，N極的五個測量點大幅度減小，平均都在六分之一到七分之一左右，而S極也發生了許多變化，輸入電流由1 8A變為21A時，S極的Q點由-319GS變為42GS。另外，不但數值發生了很大的變化，極性也發生了偏轉。在測量的五個點中有三個發生了偏轉，之所以兩極的磁場值發生巨大的變化，是因為輸入直流電磁場的電流是21A時，電磁鐵中的磁場值明顯超過了磁鐵兩極的磁場值，所以會對磁鐵產生很大的影響。在后來的幾次測量中，磁極的磁場值變化都不是很大，直至將輸入電流增加到40A時，N極的幾個輔助測量點都發生了偏轉，主測量點的值也已經變得很小，而S極的磁場值也已經完全成為正值，這說明磁鐵的兩極在此時已經完全發生了變化。緊接著就將輸入電流增大至200A，這時電磁鐵內的磁場值是輸入電流為40A時的10倍，這時的磁鐵的磁極已經與外面的涂漆標志相反了，這塊磁鐵的涂漆為S一端已經可以和一塊正常的磁鐵涂漆為S的那一端相吸引了。

2、高溫環境下的實驗。為了發現溫度對于磁鐵磁力的影響，我們采用高溫電爐對磁鐵進行加熱，用高斯計對磁鐵的磁場值進行測量，以溫度每升高20℃為界限對磁鐵進行測量，通過查資料我了解到磁鐵在高溫時與降溫后的磁場值變化不大，所以測量磁鐵時都是在磁鐵從電爐中拿出用水冷卻后才進行測量的。

在這個實驗數據中，可以明顯看到N、S極的P、Q點的磁場值都是隨著溫度的上升而下降的，當溫度在220℃～300℃之間時磁場值下降最快，當爐內溫度到達300℃左右時，磁鐵被加熱到340℃時，磁鐵兩極的磁場值都降至很小，溫度到360℃時，兩極磁場值均變為0。

3、對U形磁鐵重新充磁的實驗。最后一個實驗中，我打算對已經完全失去磁性的磁鐵放入直流電磁鐵中進行充磁，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，用高斯計測量，測得數據S為-92.8GS，N為77.6GS，雖然它的磁場值沒有實驗前大，但現在仍有一定磁性，可以吸引起小塊金屬。

四、實驗結論

磁鐵在高溫以及強磁場環境下磁力會發生變化：磁鐵在高溫環境下磁力會減弱直至消失；磁鐵的磁場方向在強磁場環境下會發生變化，甚至發生磁極的偏轉；沒有磁性的金屬在強磁場環境下會具有一定的磁力。

五、實驗分析

在外界強磁場的作用下，有些物質內部原本的、各自運動的電子，全部排列整齊，而此時，電子旋轉產生的磁效應與外界磁場方向一致，物質便呈現出磁性。同理，若是讓正常的磁鐵處在強磁場環境下，磁鐵內部的電子旋轉的磁效應與外界磁場方向不同，所以磁鐵內部的一部分電子旋轉的取向會受到外界強磁場的干擾而發生變化，這時磁鐵內部的電子旋轉的取向不同，一部分分子電流互相抵消，使磁鐵內部的磁場方向發生很大的變化，甚至發生磁極偏轉。而磁鐵在高溫環境下磁力消失是因為磁鐵內的分子在高溫環境下熱運動會加快，改變了電子運動方向的規律性，會使分子電流互相抵消，從而使磁鐵的磁力減弱直至消失。對磁鐵進行重新充磁，使原子的電子排列重新具有規律性，而使失去磁性的磁鐵重新具有磁力。

六、實驗感悟

通過這次實驗過程，我對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，在安全開關、防火滅火等方面將會發揮很大作用，真正把科學知識服務于生活。