水的抗磁性演示實驗

劉志海，武立華，趙原鋒，呂海軍，宋泓儒，婁存愷，李珊珊

(哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

任何物體在磁場作用下，都會產(chǎn)生抗磁性效應(yīng). 抗磁性的本質(zhì)是電磁感應(yīng)定律的反映. 外加磁場使電子軌道動量矩發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了附加磁矩，附加磁矩的方向與外磁場方向相反. 在磁場作用下，電子圍繞原子核的運動與無磁場時的運動相同，但同時疊加了軌道平面繞磁場方向的進動，即拉莫爾進動[1-2]. 從原子結(jié)構(gòu)來看,呈現(xiàn)抗磁性的物體是由具有滿電子殼層結(jié)構(gòu)的原子、離子或分子組成的[3]. 物體的磁化強度M與磁場強度H的方向相反. 從M=χmH的關(guān)系來看，磁化率χm是負的.

根據(jù)物質(zhì)的磁化率研究相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是磁化學(xué)的重要研究內(nèi)容,一些物質(zhì)如半導(dǎo)體中的載(電)流子在一定的恒定(直流)磁場和高頻磁場同時作用下會發(fā)生抗磁共振(常稱為回旋共振)，由此可以測定半導(dǎo)體中載流子(電子和空穴)的符號和有效質(zhì)量. 根據(jù)生物抗磁性組織的磁化率異常變化可以推測該組織發(fā)生病變(如癌變)[4-5]. 抗磁性物質(zhì)在磁場中還可以實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮[6-8]，例如《Nature》雜志報道了日本東京大學(xué)Ikezoe等在氧氣介質(zhì)中懸浮起水滴的研究工作[7]. 實際上，自然界中絕大多數(shù)物體都是抗磁性的. 但是因為抗磁性很弱，所以很難通過實驗觀察到物體的抗磁性.

1 水的抗磁性實驗

水的磁化強度M與磁場強度H的方向相反，外加磁場[9]使組成水分子的原子中運動的電子軌道動量矩繞磁場進動，產(chǎn)生與磁場方向相反的附加磁矩，故磁化率χm為很小的負值(10-5～10-6量級). 因此，水表現(xiàn)出抗磁性. 但是水的抗磁性非常微弱，常規(guī)實驗觀察不到其抗磁現(xiàn)象.

1.1 磁鐵“吸引”小紙片

在強磁場作用下，水分子的原子中運動的電子進動，產(chǎn)生與外磁場方向相反的附加磁矩，附加磁場與外磁場方向相反，所以外磁場對水產(chǎn)生排斥作用. 這種排斥效應(yīng)與外磁場強度成正比.

當(dāng)外磁場對水產(chǎn)生排斥作用時，由于水表面張力的存在，水膜不會破裂. 因此，在強磁場作用范圍內(nèi)，水面將產(chǎn)生凹陷，凹陷程度與磁場強度正相關(guān). 當(dāng)水表面凹陷處有輕小物體漂浮時，輕小物體在自身重力和水面浮力作用下受力不平衡(圖1)，產(chǎn)生運動的趨勢. 當(dāng)磁鐵緩慢向右運動時，受磁場作用產(chǎn)生的凹陷部分也會隨磁鐵的運動改變位置. 在此過程中，輕小物體始終沒有達到平衡狀態(tài)，其合力將驅(qū)使輕小物體跟隨磁鐵緩慢運動. 仿佛是輕小物體受到磁鐵的吸引而向前運動.

圖1 磁鐵“吸引”小紙片實驗原理圖

圖2為實驗操作過程中紙片初始位置，圖3為末位置，紅色線為紙片和磁鐵的運動軌跡.

圖2 紙片初始位置

圖3 運動軌跡和紙片末位置

1.2 磁鐵致水球旋轉(zhuǎn)

如圖4所示的裝置，當(dāng)磁場作用在水球時，外磁場對水將產(chǎn)生排斥作用，這樣2個水球(裝有相同質(zhì)量水的氣球)在磁場排斥力矩作用下繞軸轉(zhuǎn)動起來.

裝置在平衡狀態(tài)下，用磁鐵作用在一個水球處，在另一個水球的牽引作用下，會產(chǎn)生向心力，使得水球轉(zhuǎn)動. 當(dāng)磁鐵持續(xù)作用時，水球始終處于加速狀態(tài)并會越轉(zhuǎn)越快.

水球處于初始旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，用磁鐵靠近水球嘗試阻止其旋轉(zhuǎn)，當(dāng)受到磁場作用后，裝置的旋轉(zhuǎn)速度變慢并停止.

在裝置平衡狀態(tài)下，用磁鐵從水球下部間歇作用，作用頻率與水球升降保持一致，一段時間后發(fā)現(xiàn)2個水球有較大幅度的上下沉浮.

圖4 磁斥力旋轉(zhuǎn)裝置圖

2 水的抗磁性與外磁場關(guān)系的設(shè)計實驗

水的抗磁性與外界磁場有一定的關(guān)系，外磁場越強，水的抗磁現(xiàn)象越明顯. 當(dāng)磁鐵置于水面上方時，磁場作用區(qū)域的水面會向下凹陷. 磁場越強，水面的凹陷程度越大；反之，水的凹陷程度越小. 所以水的抗磁性可以利用水面的凹陷程度來表征.

實驗裝置如圖5所示，實驗裝置包括玻璃水缸(長0.8 m，寬0.4 m，高0.6 m，厚7 mm，n=1.5)、激光器(550 nm)、熒光染料[10]、強磁鐵. 激光透過玻璃缸在水面凹陷處發(fā)生全反射[11-12]后到達接收屏.

圖5 演示水的抗磁性裝置圖

實驗中利用光學(xué)的方法將水面凹陷進行放大，通過接收屛光點位置隨外磁場強度的變化來表征水面的凹陷程度，即水的抗磁性. 實驗光路如圖6所示.

圖6 實驗光路

實驗中使用柱形磁鐵，其磁場分布如圖7所示，由圖7可知其磁場在兩端最強.

圖7 柱形磁鐵磁場分布

保持磁鐵與水面的垂直距離不變，通過控制磁鐵疊加數(shù)目控制磁鐵對水面的作用力，實驗中疊加磁鐵的數(shù)量分別為4，6，8. 初始狀態(tài)光點位置為10 cm，分別將4，6，8塊疊加磁鐵分別作用后，光點位移量分別為4.0，5.6，6.8 cm. 實驗結(jié)果如圖8所示.

(a)無磁鐵

(b)疊加4塊磁塊

(c)疊加6塊磁鐵

(d)疊加8塊磁鐵圖8 不同磁鐵數(shù)量下接收屏光點位置圖

水面與磁場的垂直距離越小其凹陷程度越大，水的抗磁性也越大. 疊加磁鐵數(shù)目為4，改變磁鐵與水面的距離D，取D分別為16，8，4，2 mm，實驗現(xiàn)象如圖9所示. 從圖9中可以看到D分別為16，8，4，2 mm情況下光點移動量分別為0.6，1.3，3.4，4.0 cm.

(a)無磁鐵

(b)D=16 mm

(c)D=8 mm

(d)D=4 mm

(e)D=2 mm圖9 磁鐵與水面不同距離時接收屏光點位置圖

3 結(jié)束語

利用漂浮在水面的紙片和盛水氣球設(shè)計了演示水抗磁特性實驗，利用光學(xué)方法(水的全反射)觀察水的抗磁效應(yīng)，使得枯燥的物理理論生動活潑，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合實踐能力. 該實驗材料簡單易得，可使學(xué)生切身體會到只要用心觀察和思考，物理現(xiàn)象便無處不在.