方必成 金春輝 盛 涵 樓子謙 呼格吉樂湖州師范學院 理學院物理實驗教學示范中心 浙江湖州 313000

?

環(huán)形磁鐵演示儀的設計與研究

方必成 金春輝 盛 涵 樓子謙 呼格吉樂
湖州師范學院 理學院物理實驗教學示范中心 浙江湖州 313000

訓練計劃“實驗室開放項目”資助

【文章摘要】

基于對環(huán)形磁鐵的深入研究，研制出了“環(huán)形磁鐵演示儀”模型。設計制作的此款環(huán)形磁鐵演示儀能夠很好地解決分析研究環(huán)形磁鐵磁感線分布情況，可以使人們更清晰、直觀地觀察，利于更進一步探究環(huán)形磁鐵的磁場分布。本文詳細介紹了此款環(huán)形磁鐵演示儀的設計與制作。

【關鍵詞】

環(huán)形磁鐵；模型；小磁針；使用說明

引言

作為一種人工磁化而制成的磁鐵，環(huán)形磁鐵有其本身特別的優(yōu)點和用處，研究它的磁場分布對了解環(huán)形磁鐵的性質有著重要的意義。在高中物理教學中，磁場力是重要內容之一，但對于環(huán)形磁鐵的磁場分布，沒有相應的演示儀器。部分學生在解這類問題時，缺乏感性知識，總是半信半疑。同時磁場內容，在電磁學中是很重要的一部分。環(huán)形磁鐵在日常生活中有很大的作用，如耳機，揚聲器中的使用。在平常教學中只對條形磁鐵等常見磁鐵的研究而缺少對環(huán)形磁鐵的深入探究，也就缺少演示環(huán)形磁鐵磁感線的具體分布的演示儀。設計制作該演示儀是為使環(huán)形磁鐵磁感線分布情況更清晰、直觀的觀察到，對環(huán)形磁鐵磁場分布的進一步探究提供方便。

1　功能簡介

“環(huán)形磁鐵演示儀”模型中，將許多的磁化良好地小磁針制釘在透明的塑料板上，正反面間隔的釘，可以直觀清晰地演示出此時環(huán)形磁鐵的磁感線的分布情況。上下移動模型中連接環(huán)形磁鐵的桿，小磁針會隨著環(huán)形磁鐵移動演示出磁鐵移動后空間磁感線的分布。直觀形象的解決了環(huán)形磁鐵磁感線分布的問題。

2　“環(huán)形磁鐵演示儀”的主要結構和實物圖

圖1　“環(huán)形磁鐵磁感線演示儀”模型結構圖

本模型主要是環(huán)形磁鐵（強磁）、透明塑料板、塑料棒、小磁針等制成。

圖2　“環(huán)形磁鐵磁感線演示儀”實物圖

3　“環(huán)形磁鐵演示儀”的物理原理分析

物理模型“環(huán)形磁鐵磁感線演示儀”，在其物理模型的基礎上，研究環(huán)形磁鐵磁感線的大致分布，在研究其原理，探究其原理的性能與應用。

3.1磁場的產生和制作

磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性，由運動電荷或電場的變化而產生的。鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質有所不同，它內部的電子自旋可以在小范圍內自發(fā)地排列起來，形成一個自發(fā)磁化區(qū)，這種自發(fā)磁化區(qū)就叫磁疇。人造磁鐵通常是用鋼或某種合金制成的，根據(jù)需要有條形磁鐵、針形磁鐵、蹄形磁鐵、圓形磁鐵和其他各種形狀。

3.2小磁針演示環(huán)形磁鐵周圍的磁場分布

小磁針是帶有一定磁性的針。將針在磁鐵上摩擦數(shù)次，使其產生一定的磁性。小磁針具有一定的磁性，能夠感受到磁鐵周圍的磁場。與鐵粉演示環(huán)形磁鐵周圍磁感線的原理一樣，也能演示環(huán)形磁鐵周圍的磁感線。磁場對放入其中小磁針有相互作用，并且小磁針具有可以明顯區(qū)分的南北極，小磁針靜止時N極的指向就是該點磁場的方向，利用小磁針模擬環(huán)形磁鐵周圍磁感線的分布更清晰，因此也更能直觀的知道環(huán)形磁鐵周圍磁場的分布情況。

所以環(huán)形磁鐵磁感線演示儀，利用磁場的一些基本的性質，采用受磁化較好的小磁針，能生動形象地來演示環(huán)形磁鐵周圍磁場的分布情況，以更清晰更直觀的方式表現(xiàn)出來。

4　“環(huán)形磁鐵演示儀”的制作方法

（1）取一塊塑料板，切割出六塊矩形（5cm×10cm）和兩個圓（R=4cm）

（2）加工矩形塑料板，打磨一長邊具有一定弧形。用電鉆在塑料板上打孔備用。

（3）取吸管，剪成長約為1cm備用。

（4）取一塊塑料板，將1cm長吸管插入塑料板小孔中，套上經過一星期磁化過的小磁針，所有磁針的正面朝同一方向。在一塊塑料板上，正反兩面間隔套上小磁針，避免磁針間的碰撞所產生的影響。用電烙鐵熔化吸管吸管兩頭，并壓成圓餅狀，以防止小磁針脫落。以此方法完成其余五塊。

（5）取一塑料圓，在中心鉆孔（r=0.5cm）備用。

（6）取一根半徑為0.5cm，長為8cm的塑料棒，一端固定在環(huán)形磁鐵上，備用。

（7）將六片裝有小磁針的塑料板均勻的安裝在一片圓形塑料板上；將固定有塑料棒的環(huán)形磁鐵放入六片塑料板的中心（塑料棒朝上）；取另一片圓塑料板（中心有小孔），蓋在它們之上（塑料棒穿過小孔）并固定。

（8）做適當細節(jié)處理，打磨美觀等，最后完成環(huán)形磁鐵演示儀的制作。

5　“環(huán)形磁鐵演示儀”的性能及用途

（1）環(huán)形磁鐵演示儀毫無危險性，可靠性和安全性高，可大膽使用。原材料易得，大部分可從生活中找到，如塑料板，細吸管等等。

（2）環(huán)形磁鐵演示儀經久耐用，可操作性強，能很好的演示，現(xiàn)象明顯，觀賞性極高?？梢噪S時隨地進行演示，能夠非常清晰直觀演示出環(huán)形磁鐵的磁場分布情況。

（3）環(huán)形磁鐵演示儀操作簡單，可適合各文化層次人員的交流，學習和研究以及娛樂等用。

（4）環(huán)形磁鐵演示儀可以深入探究環(huán)形磁鐵的磁場，進一步了解環(huán)形磁鐵的磁場，為環(huán)形磁鐵應用做準備。

【參考文獻】

［1］王瑞凱，左洪福，呂萌.《環(huán)形磁鐵空間磁場的解析計算與仿真》［J］.航空計算技術2011（05）

［2］程紅《再探“環(huán)形磁鐵”磁場問題》［J］.物理教學探討2005（21）

基金項目：湖州師范學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

【作者簡介】

方必成（1994-），男，浙江義烏人，湖州師范學院理學院物理學專業(yè)13級學生。

指導老師：呼格吉樂（1980-），男，蒙古族，內蒙古通遼人，高級實驗師，工程碩士學位，湖州師范學院省級物理實驗教學示范中心，從事物理實驗教學與物理教學儀器開發(fā)。