宅家做實驗——磁現(xiàn)象與磁化實驗及原理分析

曾慶河 鄒 萍 張軼炳

（寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏 銀川 750021）

宅家做實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象實驗結果與磁化理論知識并不完全吻合.對磁鐵同極相斥，磁化原理充滿好奇，因此本文中通過網上購物平臺購買實驗器材，對不同形狀、體積、磁性大小的磁鐵進行隨意組合進行實驗.模擬磁疇的磁化實驗并對磁化原理進行了詳細地分析，并對磁化現(xiàn)象、磁極判斷以及磁現(xiàn)象的現(xiàn)實應用設計了5個操作性強的宅家實驗.

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，并進行控制變量實驗，經過測試，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

實驗原理：鐵粉作為一種磁介質，在外磁場的磁化下，磁疇的磁化取向趨向外磁場的方向，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.根據磁化理論，鐵磁質所建立的附加磁化強度B′遠大于原磁場強度B0，但是由于外磁場本身磁性不強，因此對鐵粉的充磁效果也不是很明顯.查閱資料發(fā)現(xiàn)，此種實驗方法與磁疇觀察方法中的粉紋法相似，在實驗中，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.

實驗意圖：磁鐵吸引鐵粉的是很常見的實驗，實驗目的在于讓學生在實驗中能夠理解其中相互作用規(guī)律，能夠掌握科學方法進行實驗，能夠看懂圖像的意義.

2 磁化強度的簡單判斷

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

實驗原理：實驗采用的是型號D25的吊環(huán)釹鐵硼強磁鐵，屬于硬磁材料，經過充磁后具有非常強的磁場，但是在大于等于80℃會出現(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.根據磁鐵磁化理論，我們可以得出硬幣此時的磁化磁極及其大小分布情況，圖2中磁化強度從上到下依次減小，最后一枚硬幣磁化后的磁化強度過小，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

實驗意圖：利用強磁可吸附多個磁性物質的特點，學生可設計由強磁組成的掛鉤，增添物理知識在生活中的應用.

3 尋找無名磁鐵的磁極面

網上購置的鐵氧體黑磁鐵沒有標明磁極，將兩塊磁鐵接觸后發(fā)現(xiàn)各個面能都相互吸引，如圖3所示.那么到底是哪一個面才是磁鐵的磁極面呢？這激發(fā)了筆者進一步探索的欲望，反復進行實驗發(fā)現(xiàn)，將兩個磁鐵沿相反方向旋轉，大部分情況下兩塊磁鐵會分開，只有面積最大的面經過旋轉后還能夠互相吸引，如圖4所示.

圖3 磁鐵各個面相互吸引

圖4 改進后實驗裝置

圖4 旋轉后磁鐵仍相吸

實驗原理：實驗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磁鐵價格高昂的特點，鐵氧體具有價格實惠、磁性較強、應用廣泛的特點.通過上述實驗，初步判斷磁鐵的面積最大面為磁極面.圖3中磁鐵各個面能夠相互吸引，其原因在于相互吸引的兩個面都存在兩個磁極，由于異極相吸作用，經過旋轉后變成同極相斥磁鐵分開.由此可見，經過旋轉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行磁極面的判斷.

注意事項：此款磁鐵的磁力很大，實驗時應注意防止夾傷手指，兩磁鐵相互吸引碰撞時容易產生鐵屑和裂痕，注意防止割傷.磁鐵易碎且容易使電子設備磁化，因此在實驗完即時用泡沫紙包好放置于安全位置，并在磁鐵上貼上檢測出來的磁極方向.

實驗意圖：讓學生經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，鍛煉學生的科學思維.

4 同名磁鐵不一定相斥

在同極相斥、異極相吸實驗中發(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，于是對此進行探究.實驗的第一部分我們使用釹鐵硼強磁與鐵氧體條形磁鐵進行實驗，將條形磁鐵的兩個磁極與吊環(huán)強磁的底部接觸發(fā)現(xiàn)都能相互吸引，如圖5所示.

實驗原理：此款鐵氧體條形磁鐵為教學磁鐵，為安全起見，故設計為較弱的磁性.相對于強磁鐵其矯頑力較小，容易退磁.圖5（a）中的實驗符合學生“異極相吸”的認知范疇.在圖5（b）中分為兩個過程，當二者相距較遠時，強磁的磁場對條形磁鐵的磁場中各磁疇的取向沒有影響，二者同極相斥.但當二者繼續(xù)相互靠近時，在強磁的外磁場的作用下，條形磁鐵中的磁疇發(fā)生變化.其根本原因在于強磁鐵的矯頑力大于條形磁鐵，因此二者相互作用下導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 強磁與條形磁鐵相互作用

實驗的第二部分我們用兩個鐵氧體環(huán)形磁鐵和銅鋅合金做的一角硬幣進行實驗.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 兩個環(huán)形磁鐵與硬幣相互作用

實驗原理：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.將第二個環(huán)形磁鐵的S極接近時應該是相互排斥的，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，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.

實驗意圖：同極不一定相斥，這與學生的認知沖突，然而通過磁化原理的學習，學生能夠深入掌握磁化的應用和原理，達到新的認知平衡.

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，但在實驗中發(fā)現(xiàn)即使是兩個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 單個磁鐵的懸浮

受上述實驗的啟發(fā)，我們想通過制造簡易的模型模擬磁懸浮列車的懸浮原理.經過多次實驗確定了最為簡易的模型，制作方法如下：取一個泡沫板，先挖4個小洞作為固定環(huán)形磁鐵的位置，再擺磁鐵，磁鐵的方向應為兩兩朝同一個方向.接下來用一張小紙張卷成棒前后穿入環(huán)形磁鐵，穿入時確保環(huán)形磁鐵放置下方兩個環(huán)形磁鐵的上方時是處于相互排斥的狀態(tài).在實驗中上方的環(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平衡點，如圖8.

圖8 磁懸浮原理的簡單模擬

實驗原理：磁懸浮列車是在“同極相斥”原理進一步深入運用.磁懸浮列車是利用“同名磁極相互排斥”的原理設計一種排斥力懸浮系統(tǒng)，利用列車兩側轉向架上的懸浮電磁鐵與軌道上的磁鐵二者由于磁場的排斥力使車輛懸浮，此時列車的重力與軌道產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.

拓展應用：列車前進時的動力也與磁體相互作用有關，位于軌道兩側的線圈流動的交流電將線圈轉變?yōu)殡姶朋w，與列車上的電磁體相互作用，從而驅動列車.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，同時又被安裝在軌道稍后一點的電磁體N極所排斥.列車前進時，線圈流動的電流方向反過來，導致原本的磁極方向相反，周而復始，列車向前前進，如圖9所示.

圖9 磁懸浮列車行進原理圖

實驗意圖：幫助學生理解磁懸浮的原理，認識生活中的磁懸浮列車的工作原理，學生通過簡易的磁懸浮現(xiàn)象鍛煉思考和動手能力.