卞悠悠 季雅惠 董啟飛 侯吉旋

(1. 東南大學吳健雄學院,江蘇 南京 211189; 2. 東南大學物理學院,江蘇 南京 211189)

磁鐵又名吸鐵石,顧名思義就是指其具有吸引鐵磁質(zhì)的能力. 早在公元前數(shù)百年,古籍中就有了磁石能吸鐵的記錄.[1]本文將探討磁鐵與未被磁化的鐵磁物質(zhì)之間的磁力是否總是吸引力.

為了簡化所討論的問題,本文僅僅研究形狀對稱的條形磁鐵,因為條形磁鐵的中心點很容易被確定.另外,為了讓要討論的問題更加明確,我們先說明如何定義“吸引”力. 假設(shè)條形磁鐵的中心點和鐵磁物質(zhì)分別處于某個平面(z=0平面)的兩側(cè),條形磁鐵的中心點處于上半空間(z>0)而鐵磁物質(zhì)處于下半空間(z<0), 那么吸引力就是指條形磁鐵受到的磁力F的z方向分量小于0, 即Fz<0, 如圖1所示.

圖1 條形磁鐵與帶有圓孔的鐵板(側(cè)視圖)

圖2 條形磁鐵中心處于鐵板的圓孔中時(z=0)空間中的磁感線分布(側(cè)視圖)

圖3 系統(tǒng)磁場能U隨距離z的變化

以上我們從勢能的角度闡釋了條形磁鐵與帶有圓孔的鐵板之間產(chǎn)生排斥力的機理.為了驗證我們的理論,我們利用簡單的器材進行了相應(yīng)的實驗,實驗裝置如圖4所示.條形磁鐵由鐵氧體材料制成,尺寸為40 mm×9.5 mm×9.5 mm.厚度為0.5 mm面積為200 mm×200 mm的冷板作為鐵板, 并在其正中心鉆了直徑為15 mm的圓孔. 條形磁鐵利用細線豎直懸掛在彈簧秤上,條形磁鐵自重為0.17 g. 鐵板水平放置,為了能讓條形磁鐵

圖4 實驗裝置圖

在豎直方向上自由進出鐵板上的圓孔而不至于左右晃動.在圓孔上插上了光滑的玻璃套管作為條形磁鐵的軌道,并且玻璃套管內(nèi)徑略大于條形磁鐵的外徑. 在忽略摩擦力的作用下,彈簧秤的示數(shù)減去條形磁鐵的自重便是條形磁鐵所受到鐵板給予的磁場力Fz. 為了消除玻璃套管與條形磁鐵之間的摩擦力影響, 筆者將磁鐵緩緩地從上往下放(z由大變小)測得一組{z,Fz}數(shù)據(jù),再將磁鐵緩緩地從下往上提(z由小變大)再測得一組{z,Fz}數(shù)據(jù),兩組數(shù)據(jù)相互比較就知道摩擦力的影響. 所有數(shù)據(jù)都是經(jīng)過5次獨立實驗取得的平均值,結(jié)果顯示在圖5中.

圖5所示為實驗測量得到的磁力與距離之間的關(guān)系.圓點表示磁鐵緩緩地從上往下放(z由大變小)測得的數(shù)據(jù),方點表示磁鐵緩緩地從下往上放(z由小變大)測得的數(shù)據(jù)從圖5中可以看出,當條形磁鐵的中心距離鐵板1 cm以上時,磁力都是吸引力;而條形磁鐵的中心距離鐵板在1 cm之內(nèi),便會出現(xiàn)排斥力．摩擦力對實驗結(jié)果的影響在0.005 N之內(nèi),小于排斥力的最大值(約為0.015 N),因此實驗結(jié)果是可信的．

圖5 實驗測量得到的磁力與距離之間的關(guān)系

綜上所述,我們研究了磁鐵與未磁化的鐵磁質(zhì)之間的相互作用力,從勢能的角度在理論上闡釋了它們之間磁力為排斥力的機理,并且利用條形磁鐵與未磁化的薄鐵板進行實驗證實了它們之間的磁力可以是排斥力．