探究磁鐵在幾種特殊環(huán)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(zhì)，在安全開關、防火滅火等方面將會發(fā)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(huán)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(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。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(huán)境中，不斷改變輸入電磁鐵的電流和電爐溫度，同時記錄數(shù)據(jù)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(huán)境下磁力的方向以及大小會發(fā)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(jīng)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(chǎn)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(jié)論。經(jīng)過認真的分析以及查找資料我發(fā)現(xiàn)，使磁鐵的磁力減弱或消失的條件有：高溫環(huán)境、強磁場環(huán)境以及強烈震動等。所以著重對高溫以及強磁場兩種環(huán)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(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。用高斯計對磁鐵進行磁場值的測量。為了使數(shù)據(jù)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(huán)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(jīng)穩(wěn)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(nèi)的磁場值，之后關閉穩(wěn)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(shù)值之后畫出曲線圖，通過曲線對數(shù)據(jù)進行分析。

這個實驗最終測量出來數(shù)據(jù)基本符合我的預料，在強磁場環(huán)境下的數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的曲線較為不規(guī)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(fā)生任何偏轉(zhuǎn)，當輸入電流大于20A時，磁鐵的磁極以及磁場值發(fā)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(fā)生了許多變化，輸入電流由1 8A變?yōu)?1A時，S極的Q點由- 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)。在測量的五個點中有三個發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，之所以兩極的磁場值發(fā)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(chǎn)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(fā)生了偏轉(zhuǎn)，主測量點的值也已經(jīng)變得很小，而S極的磁場值也已經(jīng)完全成為正值，這說明磁鐵的兩極在此時已經(jīng)完全發(fā)生了變化。緊接著就將輸入電流增大至200A，這時電磁鐵內(nèi)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(jīng)與外面的涂漆標志相反了，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。

2、高溫環(huán)境下的實驗。為了發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(nèi)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?yōu)?。

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(jīng)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(shù)據(jù)S為- 92.8GS，N為77.6GS，雖然它的磁場值沒有實驗前大，但現(xiàn)在仍有一定磁性，可以吸引起小塊金屬。

四、實驗結(jié)論

磁鐵在高溫以及強磁場環(huán)境下磁力會發(fā)生變化：磁鐵在高溫環(huán)境下磁力會減弱直至消失；磁鐵的磁場方向在強磁場環(huán)境下會發(fā)生變化，甚至發(fā)生磁極的偏轉(zhuǎn)；沒有磁性的金屬在強磁場環(huán)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(zhì)內(nèi)部原本的、各自運動的電子，全部排列整齊，而此時，電子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁效應與外界磁場方向一致，物質(zhì)便呈現(xiàn)出磁性。同理，若是讓正常的磁鐵處在強磁場環(huán)境下，磁鐵內(nèi)部的電子旋轉(zhuǎn)的磁效應與外界磁場方向不同，所以磁鐵內(nèi)部的一部分電子旋轉(zhuǎn)的取向會受到外界強磁場的干擾而發(fā)生變化，這時磁鐵內(nèi)部的電子旋轉(zhuǎn)的取向不同，一部分分子電流互相抵消，使磁鐵內(nèi)部的磁場方向發(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)境下磁力消失是因為磁鐵內(nèi)的分子在高溫環(huán)境下熱運動會加快，改變了電子運動方向的規(guī)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(guī)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(zhì)，在安全開關、防火滅火等方面將會發(fā)揮很大作用，真正把科學知識服務于生活。