張皓然

摘 要：磁鐵是生活中比較常見的物品，但是不同種類的磁鐵用不同的方式吸引在一起時(shí)也會(huì)有不同的現(xiàn)象。本文通過調(diào)研文獻(xiàn)，將分子電流假設(shè)應(yīng)用到磁鐵的磁性來源的解釋上，并對(duì)磁鐵之間的相互作用力以及磁鐵和硬幣之間的吸引力進(jìn)行了原因闡述和簡(jiǎn)單的估算。本文的結(jié)論可以用來解釋生活中的諸多和磁鐵有關(guān)的物理現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：磁鐵 分子電流 磁介質(zhì) 安培力

中圖分類號(hào)：G63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-9082（2020）03-0-01

引言

在一次物理課中，老師給我們一人發(fā)了一個(gè)小磁鐵，在聽課時(shí)隨手?jǐn)[弄的磁鐵卻有了許多我們想不出原因的現(xiàn)象，比如：兩個(gè)長(zhǎng)條磁鐵以側(cè)面貼合時(shí)吸的更緊密，而兩個(gè)扁圓柱形在上、下底面貼合在一起時(shí)吸引的更緊密。同樣，在吸引物體時(shí)也會(huì)有不同的表現(xiàn)，就好比在吸引硬幣時(shí)，也會(huì)發(fā)生不同的現(xiàn)象，就比如：硬幣與磁鐵側(cè)面相貼吸引在一起時(shí)，硬幣會(huì)翻轉(zhuǎn)過來與磁鐵垂直，兩個(gè)硬幣用側(cè)面吸引一個(gè)磁鐵時(shí)會(huì)相互排斥;以側(cè)面相吸的磁鐵與硬幣距離越遠(yuǎn)，吸力越小。這些現(xiàn)象非常奇妙，在老師的幫助下，我逐步找到了問題的答案。

一、圓柱形磁鐵的環(huán)形電流

法國物理學(xué)家安培提出了分子電流假設(shè)用來解釋物質(zhì)的磁性。安培分子電流是由于電子繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的，當(dāng)物體內(nèi)分子電流有序時(shí)，該物體顯磁性，而當(dāng)各個(gè)分子電流方向無序且雜亂時(shí)，該物體不顯磁性[1，2]?？梢允褂梅肿与娏骷僭O(shè)來解釋圓柱形磁鐵的磁場(chǎng)分布：如圖1所示，圓柱形磁鐵內(nèi)存在著許許多多的分子，而每一個(gè)分子都有序地存在著分子電流，每一個(gè)分子電流疊加在一起使磁體產(chǎn)生和分子電流同方向的電流方向，此時(shí)可以用右手定則判斷出磁體的南北兩極?？梢哉f是分子電流的有序使磁體有磁性。

也可以按照磁荷[3]的觀點(diǎn)來看待磁性的產(chǎn)生，每一個(gè)分子電流就像一個(gè)小磁鐵一樣擁有南北極，當(dāng)分子電流有序時(shí)，各個(gè)南北磁極會(huì)有序地疊加在一起，整個(gè)物體帶有同樣的磁極取向，從而使該物體帶磁性。

二、實(shí)際使用的磁鐵

我們?cè)诒疚闹兴接懯褂玫拇盆F是在網(wǎng)上購買得到的，為標(biāo)準(zhǔn)的N35釹鐵硼磁鐵，圓柱形，約0.58g，尺寸為：直徑10mm，厚度1mm。其表磁大小約為0.1T，南北極分別處在圓柱的兩個(gè)底面上，吸力大小約為0.4kg。

對(duì)于這樣的一個(gè)磁鐵，我們可以使用分子電流假設(shè)，結(jié)合環(huán)形電流線圈的中心磁場(chǎng)公式[4，5]

來估算分子電流的大小。

由于表磁大小為B=0.1T，由樣品尺寸可知R=5mm，因此可以得到

也就是說根據(jù)分子電流假設(shè)，這樣的圓柱形磁鐵等效于一個(gè)電流為800A的環(huán)形電流。

三、磁鐵之間的相互作用力

我們都知道兩個(gè)磁鐵同性相斥，異性相吸。那么這個(gè)現(xiàn)象如何在分子電流假設(shè)下得到解釋呢，又有什么方法可以用來估算相互作用力的大小呢？

兩個(gè)磁鐵之間的相互作用力，在分子電流假設(shè)下，其本質(zhì)是安培力。實(shí)驗(yàn)過程中，使用兩個(gè)圓柱形磁鐵，一個(gè)磁鐵的南極和另一個(gè)磁鐵的北極緊貼時(shí)，則有很大的吸力，這是因?yàn)榇藭r(shí)兩個(gè)線圈中的電流是同向的，按照安培力的規(guī)律電流同向相吸，所以兩者之間是吸力。按照安培力公式F=BIL通過估算可以得到吸力的大小。由于磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小約為0.1T，分子電流約為800A，線圈長(zhǎng)度為2πR，所以吸力大小為F=0.1T×8×102A×2π×5mm=2.5N，從量級(jí)上來說，這個(gè)估算結(jié)果和我們購買的磁鐵的參數(shù)0.46kg是相符的，0.46kg相當(dāng)于4.5N，估算結(jié)果偏小的原因可能是磁場(chǎng)B的實(shí)際值比0.1T大。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓柱形磁鐵的側(cè)面接觸時(shí)，也會(huì)有吸力和斥力兩種情形。例如在一個(gè)水平桌面上，將兩個(gè)磁鐵南極都朝下、北極都朝上放置，使得兩個(gè)磁鐵靠近，這時(shí)兩個(gè)磁鐵之間是斥力;如果一個(gè)磁鐵南極朝下，另一個(gè)磁鐵北極朝下，相互靠近，則為吸力。這個(gè)現(xiàn)象同樣可以使用分子電流的觀點(diǎn)解釋，例如當(dāng)兩個(gè)磁鐵同時(shí)南極朝下時(shí)，則從上往下看，分子電流均為逆時(shí)針方向，因此兩個(gè)磁鐵靠近時(shí)，兩個(gè)磁鐵的分子電流在相互最靠近的地方是反向的，因此造成了斥力;反之，兩個(gè)磁鐵一個(gè)南極朝下、一個(gè)北極朝下時(shí)，則從上往下看，分子電流一個(gè)為逆時(shí)針方向、一個(gè)為順時(shí)針，因此兩個(gè)磁鐵靠近時(shí)，兩個(gè)磁鐵的分子電流在相互最靠近的地方是反向的，因此造成了吸力。特別需要注意的是，此時(shí)的相互作用力是由于磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間中是不均勻的，另一個(gè)磁鐵在這個(gè)不均勻磁場(chǎng)中才能夠受到非零的安培力，實(shí)際上，如果磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)是均勻的，則另一個(gè)磁鐵在這樣的一個(gè)均勻的磁場(chǎng)中收到的安培力合力將為零。

四、磁鐵與硬幣之間的相互作用力

磁鐵為什么能夠吸引硬幣？通過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)，磁鐵可以吸引鐵鈷鎳等物質(zhì)，卻不能吸引銅銀金。其原因在于，鐵鈷鎳等物質(zhì)具有鐵磁性，這些物質(zhì)可以被外界磁場(chǎng)磁化，從而具有一定的磁性，磁化的結(jié)果導(dǎo)致鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部的分子電流有序化，且這些電流的方向和磁鐵的磁場(chǎng)方向之間滿足如下關(guān)系：電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和磁鐵的磁場(chǎng)方向一致。這導(dǎo)致無論硬幣放置在何處，磁鐵中的分子電流和硬幣之間的分子電流之間的安培力始終是吸引力。我們使用購買的磁鐵和一元硬幣驗(yàn)證了這一現(xiàn)象，無論一元硬幣放置在什么地方，怎么放置，磁鐵始終是吸引硬幣的。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，本文還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)十分有趣的現(xiàn)象，稱之為垂直現(xiàn)象。如圖2，當(dāng)一個(gè)磁鐵和一個(gè)硬幣側(cè)面接觸并懸空時(shí)，磁鐵和硬幣的底面總是傾向于相互垂直。這個(gè)現(xiàn)象解釋起來很困難，但是原則上是由于磁鐵和硬幣的底面相互垂直時(shí)能量最低，類似于山中的一個(gè)石頭總是傾向于在山谷里而不是山峰上。如果我們剛開始使得磁鐵和硬幣的側(cè)面相互接觸，底面相互平行，那么硬幣將會(huì)受到一個(gè)磁力矩，在這樣的一個(gè)磁力矩的作用下，硬幣會(huì)緩慢旋轉(zhuǎn)到和磁鐵底面垂直的狀態(tài)，并且在這樣的狀態(tài)下，磁力矩為0，從而不再旋轉(zhuǎn)。

我們還發(fā)現(xiàn)，如圖3，在桌面上的兩個(gè)硬幣吸附在同一個(gè)磁鐵的側(cè)面時(shí)，兩個(gè)硬幣之間無法互相吸引，而且還有微弱的排斥力。這是因?yàn)閮蓚€(gè)硬幣吸附在同一個(gè)磁鐵上而產(chǎn)生感應(yīng)分子電流同為逆時(shí)針或者順時(shí)針（這取決于磁鐵的南北極方向），從而在距離較近的地方硬幣之間的分子電流方向是相反的，異向電流之間的安培力為斥力，導(dǎo)致這兩個(gè)硬幣之間為相互排斥的作用力。

結(jié)語

物理是一門神奇的學(xué)科，簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的幾個(gè)磁鐵與硬幣，其中就能蘊(yùn)含如此之多的知識(shí)，真的是生活處處皆物理。通過本文的實(shí)驗(yàn)探討，我們可以加深對(duì)磁性本質(zhì)的了解，尤其是使用分子電流的觀點(diǎn)可以解釋很多實(shí)驗(yàn)物理現(xiàn)象。同時(shí)本文的實(shí)驗(yàn)探索中出現(xiàn)的垂直現(xiàn)象，目前缺乏充分的物理解釋，可以在后續(xù)的研究中繼續(xù)探討。

參考文獻(xiàn)

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