靜磁屏蔽現(xiàn)象探究

丁晨鑫 王國(guó)陽(yáng) 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(hù)，是一個(gè)重要的物理概念，文章設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單直觀的方法來(lái)探究靜磁屏蔽現(xiàn)象。用指南針、磁石及兩個(gè)分別為鐵質(zhì)和鋁制的金屬盒子，來(lái)探究金屬對(duì)外部靜磁場(chǎng)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(duì)靜磁場(chǎng)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(hào)：O441.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）02-003-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.002

目前，電磁場(chǎng)污染嚴(yán)重，許多靈敏器件需要被保護(hù)，靜磁屏蔽的作用就是防止外磁場(chǎng)進(jìn)入被保護(hù)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(bào)道。這主要是因?yàn)槠浔憩F(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(chǎng)合，簡(jiǎn)要介紹了電磁屏蔽技術(shù)。過(guò)祥龍[2]用直圓筒來(lái)做靜磁屏蔽實(shí)驗(yàn)，用鐵屑來(lái)表征磁場(chǎng)，但鐵屑細(xì)小、不易操作且實(shí)驗(yàn)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(chǎng)中，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)B永遠(yuǎn)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(duì)于靜磁屏蔽的概念及原理已經(jīng)有了深入的研究，但是對(duì)于靜磁屏蔽的課堂演示和普及較少。文章設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單直觀的方法，用小磁針的偏轉(zhuǎn)角度來(lái)表征靜磁屏蔽效果，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理

1.1 靜磁場(chǎng)

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

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(chǎng)的磁感應(yīng)線的絕大部分將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過(guò)，而進(jìn)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(chǎng)，從而達(dá)到靜磁屏蔽的目的[5]。

2 實(shí)驗(yàn)儀器與內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本研究用磁石產(chǎn)生靜磁場(chǎng)充當(dāng)外部的干擾磁場(chǎng)，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(dòng)判斷靜磁屏蔽效果，指南針轉(zhuǎn)過(guò)角度由量角器讀出。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

首先，將小磁針?lè)旁诹拷瞧髦行奶帲賹⒂谰么朋w靠近小磁針，分別測(cè)量小磁針靜止時(shí)N極指向的角度。將小磁針?lè)旁谄帘魏姓醒?，再將永久磁體靠近鐵盒，小磁針靜止時(shí)用量角器分別測(cè)量有無(wú)磁體時(shí)的N極指向。這時(shí)，通過(guò)前兩步得到小磁針在有靜磁場(chǎng)干擾和無(wú)靜磁場(chǎng)干擾時(shí)的角度值，通過(guò)后兩步得到小磁針被屏蔽盒子保護(hù)后的有靜磁干擾和無(wú)靜磁干擾時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dāng)屏蔽盒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第二列和第三列分別是小磁針在無(wú)靜磁場(chǎng)干擾和有靜磁場(chǎng)干擾時(shí)的小磁針指向角度。第四列是有靜磁場(chǎng)干擾和無(wú)靜磁場(chǎng)干擾時(shí)小磁針指向的差值，體現(xiàn)出外加靜磁場(chǎng)的干擾對(duì)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(hù)后的無(wú)靜磁場(chǎng)干擾和有靜磁場(chǎng)干擾時(shí)的小磁針指向角度。最后一列是小磁針被屏蔽盒保護(hù)后的有靜磁場(chǎng)時(shí)和無(wú)靜磁場(chǎng)時(shí)小磁針指向的差值，體現(xiàn)出有屏蔽盒子保護(hù)時(shí)外加靜磁場(chǎng)的干擾對(duì)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(chǎng)對(duì)小磁針指向的正確性產(chǎn)生了強(qiáng)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(dāng)應(yīng)用鐵質(zhì)屏蔽盒子時(shí)，外加靜磁場(chǎng)對(duì)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(dāng)應(yīng)用鋁制屏蔽盒時(shí)，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(duì)靜磁場(chǎng)的屏蔽作用不同，鐵盒子具有屏蔽效果，進(jìn)而可以說(shuō)明金屬的屏蔽效果與金屬材質(zhì)有關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(shí)，指南針指向南北方向。當(dāng)在外部加入靜磁干擾時(shí)，小磁針指向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏離南北方向。這時(shí)，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(shuō)明屏蔽盒子減弱了外部磁場(chǎng)干擾，證實(shí)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(jiǎn)單、材料易得、操作方便、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于實(shí)際的課堂演示，為靜磁屏蔽這一知識(shí)的普及和講解提供了一種可行的方法。

參考文獻(xiàn)

[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(guò)祥龍.靜磁屏蔽實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，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(bào)，2008（2）：68-69.

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