中科院蘭州分院中學(xué) 于善霆 楊娜 劉斌
【目的】
為了發(fā)現(xiàn)磁鐵磁性受高溫與強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境的影響，并且為了找到我們?cè)趯W(xué)習(xí)中常見的V形磁鐵的居里溫度，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
【思路】
為發(fā)現(xiàn)磁鐵磁力減弱或消失的變化情況，我們準(zhǔn)備采用模擬這兩種環(huán)境的方法。強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境采用直流電磁鐵來模擬；高溫環(huán)境采用高溫電爐進(jìn)行模擬。
【工具材料】
永磁鐵：兩塊，分別為U形和條形。
高斯計(jì)：LakeShore制造的410型，最小分辨率為0.1GS，量程為2000GS。
電源：直流穩(wěn)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。
天津電爐廠制造的RJX25—13型箱式高溫電爐，最高加熱溫度為1350℃。
【制作過程】
用高斯計(jì)測(cè)量一塊V形磁鐵和一塊長(zhǎng)條形磁鐵，分別放入強(qiáng)磁場(chǎng)及高溫環(huán)境中，不斷改變輸入電磁鐵的電流和電爐溫度，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)最后進(jìn)行分析。
【科學(xué)性】
本次實(shí)驗(yàn)得到了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并進(jìn)而得到一些簡(jiǎn)單的物理結(jié)論。
【先進(jìn)性】
本次實(shí)驗(yàn)完全由學(xué)生設(shè)計(jì)，親自動(dòng)手操作，不拘泥于資料中的數(shù)據(jù)，通過自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法，找到了問題的答案。
【創(chuàng)新點(diǎn)】
根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路，提出具體的操作方法，并親手操作，得到了最后的結(jié)論。
作品簡(jiǎn)介
在日常生活中原本磁力很強(qiáng)的磁鐵由于在強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下磁力的方向以及大小會(huì)發(fā)生變化，例如小磁鐵在兩塊大磁鐵的干擾下磁力會(huì)有所減弱；磁鐵放在爐子旁，在高溫情況下，磁力也會(huì)有所減弱；鐵釘吸附在磁鐵上，經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)有磁性，我們查閱了許多資料，知道每一塊磁鐵都有不同的居里溫度(Curie Temperature)，即磁鐵在該溫度下會(huì)失去磁性，而我們?cè)趯W(xué)習(xí)中常見到的磁鐵的居里溫度是多少呢?帶著生活、學(xué)習(xí)中許許多多有關(guān)磁鐵磁力減弱、消失、產(chǎn)生的種種疑問，我們進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)，得到了準(zhǔn)確、定量的物理結(jié)論。
經(jīng)過認(rèn)真的分析以及查找資料我們發(fā)現(xiàn)，使磁鐵的磁力減弱或消失的條件有：高溫環(huán)境、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境以及強(qiáng)烈震動(dòng)等。我們著重對(duì)高溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)兩種環(huán)境下磁鐵磁力減弱或消失的情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)的目的是發(fā)現(xiàn)磁鐵在高溫環(huán)境下磁力的變化情況，并盡可能地發(fā)現(xiàn)其中的一些規(guī)律，預(yù)計(jì)在最后數(shù)據(jù)構(gòu)成的曲線圖像中可以發(fā)現(xiàn)一些大致的趨勢(shì)和簡(jiǎn)單的規(guī)律。
我們用高斯計(jì)對(duì)磁鐵進(jìn)行磁場(chǎng)值的測(cè)量。為了使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，我們采用了一個(gè)磁極多點(diǎn)測(cè)量的辦法，即以一個(gè)磁極的中點(diǎn)為主要測(cè)量點(diǎn)，把磁鐵四角的四個(gè)點(diǎn)作為輔助測(cè)量點(diǎn)，因?yàn)樵谟来盆F中，磁感線的分布在磁鐵的四角有重疊部分，所以不很準(zhǔn)確，而中心能夠準(zhǔn)確地反映磁極的磁場(chǎng)值，所以在數(shù)據(jù)中我們以磁極中心的磁場(chǎng)值為最主要的數(shù)據(jù)，具體點(diǎn)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(diǎn)為P，S極的中點(diǎn)為Q。
1．強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中先用高斯計(jì)測(cè)量了條形型鐵N、S兩極的磁場(chǎng)值，接著我們將其放入了直流電磁場(chǎng)中，這時(shí)將經(jīng)穩(wěn)流電源整流、濾波后的直流電通給直流電磁場(chǎng)一定安培的電流，用高斯表測(cè)量強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁場(chǎng)值，之后關(guān)閉穩(wěn)流電源，拿出條形磁鐵，再次用高斯表測(cè)量其N極、S極的磁場(chǎng)值的大小，進(jìn)行對(duì)比之后，重復(fù)以上步驟，只是逐步增大其輸入電流，記錄不同的數(shù)值之后畫出曲線圖，通過曲線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
2．高溫環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)
我們?yōu)榱税l(fā)現(xiàn)溫度對(duì)于磁鐵磁力的影響，我們采用高溫電爐對(duì)磁鐵進(jìn)行加熱，用高斯計(jì)對(duì)磁鐵的磁場(chǎng)值進(jìn)行測(cè)量，以溫度每升高20℃為界限對(duì)磁鐵進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)闂l件不允許，而且通過查資料我們看到磁鐵在高溫時(shí)與降溫后的磁場(chǎng)值變化不大，所以我們測(cè)量磁鐵時(shí)都是在磁鐵從電爐中拿出用水冷卻后才進(jìn)行測(cè)量的。
3．對(duì)U形磁鐵重新充磁的實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)的最后，我們準(zhǔn)備對(duì)已經(jīng)完全失去磁性的磁鐵放入直流電磁鐵中進(jìn)行充磁，即將其按照一定的方向放入(即將其側(cè)放，目的是盡可能使直流電磁鐵的磁感線符合U形磁鐵原始的磁感線分布，真正達(dá)到充磁的目的)，然后再給電磁鐵通上400A的電流，五秒鐘后將電磁鐵斷電，拿出磁鐵，經(jīng)過高斯計(jì)測(cè)量后，測(cè)得S為-92．8GS，N為77．6GS，雖然它的磁場(chǎng)值沒有實(shí)驗(yàn)前大，但現(xiàn)在仍可以吸起小塊金屬。
這次實(shí)驗(yàn)最終測(cè)量出來數(shù)據(jù)基本符合我們的預(yù)料，在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的曲線較為不規(guī)律。對(duì)照曲線圖可以看到對(duì)電磁鐵所加電流小于20A時(shí)，磁鐵正負(fù)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)值變化不大，磁極也沒有發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入電流大于20A時(shí)，磁鐵的磁極以及磁場(chǎng)值發(fā)生了許多變化，N極的五個(gè)測(cè)量點(diǎn)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(fā)生了許多變化，輸入電流由1 8A變?yōu)?1A時(shí)，S極的Q點(diǎn)由-319GS變?yōu)?2GS。另外，不但數(shù)值發(fā)生了很大的變化，極性也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在我們測(cè)量的五個(gè)點(diǎn)中有三個(gè)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，之所以兩極的磁場(chǎng)值發(fā)生巨大的變化，是因?yàn)檩斎胫绷麟姶艌?chǎng)的電流是21A時(shí)，電磁鐵中的磁場(chǎng)值明顯超過了磁鐵兩極的磁場(chǎng)值，所以會(huì)對(duì)磁鐵產(chǎn)生很大的影響。在后來的幾次測(cè)量中，磁極的磁場(chǎng)值變化都不是很大，直至將輸入電流增加到40A時(shí)，N極的幾個(gè)輔助測(cè)量點(diǎn)都發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，主測(cè)量點(diǎn)的值也已經(jīng)變得很小，而S極的磁場(chǎng)值也已經(jīng)完全成為正值，這說明磁鐵的兩極在此時(shí)已經(jīng)完全發(fā)生了變化。緊接著我們就將輸入電流增大至200A，這時(shí)電磁鐵內(nèi)的磁場(chǎng)值是輸入電流為40A時(shí)的10倍，這時(shí)的磁鐵的磁極已經(jīng)與外面的涂漆標(biāo)志相反了，這塊磁鐵的涂漆為S一端已經(jīng)可以和一塊正常的磁鐵涂漆為S的那一端相吸引了。在高溫環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，我們可以明顯看到N、S極的P、Q點(diǎn)的磁場(chǎng)值都是隨著溫度的上升而下降的，當(dāng)溫度在220℃～300℃之間時(shí)磁場(chǎng)值下降最快，當(dāng)爐內(nèi)溫度到達(dá)300℃左右時(shí)，磁鐵被加熱至紅熱狀態(tài)，溫度達(dá)到340℃時(shí)，磁鐵兩極的磁場(chǎng)值都降至很小，溫度到360℃時(shí)，兩極磁場(chǎng)值均變?yōu)?。
磁鐵在高溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下磁力會(huì)發(fā)生變化：磁鐵在高溫環(huán)境下磁力會(huì)減弱直至消失；磁鐵的磁場(chǎng)方向在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下會(huì)發(fā)生變化，甚至發(fā)生磁極的偏轉(zhuǎn)；沒有磁性的金屬在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下會(huì)具有一定的磁力。
一切物質(zhì)都是由它的分子組成的，分子又由原子組成，原子由原子核和核外電子組成，電子在不停地自轉(zhuǎn)和繞原子核旋轉(zhuǎn)，電子的這兩種運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生磁性。但由于其運(yùn)動(dòng)的方向各自不同，普通的金屬內(nèi)部各個(gè)分子電流的取向是雜亂無章的，它們的磁場(chǎng)互相抵消，對(duì)外界不顯磁性。在外界強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，有些物質(zhì)內(nèi)部原本的、各自運(yùn)動(dòng)的電子，全部排列整齊，而此時(shí)，電子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁效應(yīng)與外界磁場(chǎng)方向一致，物質(zhì)便呈現(xiàn)出磁性。磁鐵之所以能吸住鐵釘，是因?yàn)榫哂写判缘拇盆F靠近鐵釘時(shí)，鐵釘內(nèi)的原子被磁鐵磁化。同理，若是讓正常的磁鐵處在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，磁鐵內(nèi)部的電子旋轉(zhuǎn)的磁效應(yīng)與外界磁場(chǎng)方向不同，所以磁鐵內(nèi)部的一部分電子旋轉(zhuǎn)的取向會(huì)受到外界強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾而發(fā)生變化，這時(shí)磁鐵內(nèi)部的電子旋轉(zhuǎn)的取向會(huì)有所不同，會(huì)有一部分分子電流互相抵消，使磁鐵內(nèi)部的磁場(chǎng)方向發(fā)生很大的變化，甚至發(fā)生磁極偏轉(zhuǎn)。而磁鐵在高溫環(huán)境下磁力消失是因?yàn)榇盆F內(nèi)的分子在高溫環(huán)境下熱運(yùn)動(dòng)會(huì)加快，改變了電子運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)律性，會(huì)使分子電流互相抵消，從而使磁鐵的磁力減弱直至消失。對(duì)磁鐵進(jìn)行重新充磁，使原子的電子排列重新具有規(guī)律性，而使失去磁性的磁鐵重新具有磁力。
通過這次實(shí)驗(yàn)我們對(duì)于磁鐵退磁得到了更加深刻的理解，而利用磁鐵的居里溫度以及磁極偏轉(zhuǎn)這些性質(zhì)，可以為我們更好地服務(wù)，例如，電飯鍋底部的控溫裝置就是利用了磁鐵居里溫度這一特性，該裝置用的就是一塊居里溫度是105℃并且在降溫后磁性還會(huì)恢復(fù)的磁鐵，當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100℃上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105℃時(shí)，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對(duì)它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會(huì)把它們分開，同時(shí)將電源開關(guān)斷開，停止加熱，如果在不方便測(cè)溫度的情況下，可以放入一塊磁鐵性質(zhì)已知的磁鐵，最后通過分析磁鐵的磁場(chǎng)值的變化來估算溫度最高達(dá)到了多少。利用這些性質(zhì)在安全開關(guān)、放火滅火方面有很大作用，當(dāng)然這些都是一些設(shè)想，若要真正實(shí)現(xiàn)還需要我們的進(jìn)一步努力。
第十八屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)
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來源：學(xué)生科技網(wǎng)http://www.student.gov.cn/cxds/kxlw/kl76.htm
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