磁鐵與未磁化的鐵磁質(zhì)之間的磁力永遠(yuǎn)是吸引力嗎?

卞悠悠 季雅惠 董啟飛 侯吉旋

(1. 東南大學(xué)吳健雄學(xué)院,江蘇 南京 211189; 2. 東南大學(xué)物理學(xué)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(jiǎn)化所討論的問(wèn)題,本文僅僅研究形狀對(duì)稱的條形磁鐵,因?yàn)闂l形磁鐵的中心點(diǎn)很容易被確定.另外,為了讓要討論的問(wèn)題更加明確,我們先說(shuō)明如何定義“吸引”力. 假設(shè)條形磁鐵的中心點(diǎn)和鐵磁物質(zhì)分別處于某個(gè)平面(z=0平面)的兩側(cè),條形磁鐵的中心點(diǎn)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(shí)(z=0)空間中的磁感線分布(側(cè)視圖)

圖3 系統(tǒng)磁場(chǎng)能U隨距離z的變化

以上我們從勢(shì)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(jī)理.為了驗(yàn)證我們的理論,我們利用簡(jiǎn)單的器材進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(xì)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(shí)驗(yàn)裝置圖

在豎直方向上自由進(jìn)出鐵板上的圓孔而不至于左右晃動(dòng).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(chǎng)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(cè)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(cè)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(guò)5次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)取得的平均值,結(jié)果顯示在圖5中.

圖5所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的磁力與距離之間的關(guān)系.圓點(diǎn)表示磁鐵緩緩地從上往下放(z由大變小)測(cè)得的數(shù)據(jù),方點(diǎn)表示磁鐵緩緩地從下往上放(z由小變大)測(cè)得的數(shù)據(jù)從圖5中可以看出,當(dāng)條形磁鐵的中心距離鐵板1 cm以上時(shí),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(huì)出現(xiàn)排斥力．摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的．

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shì)能的角度在理論上闡釋了它們之間磁力為排斥力的機(jī)理,并且利用條形磁鐵與未磁化的薄鐵板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證實(shí)了它們之間的磁力可以是排斥力．