环形磁铁演示仪的设计与研究

方必成 金春辉 盛 涵 楼子谦 呼格吉乐湖州师范学院 理学院物理实验教学示范中心 浙江湖州 313000



环形磁铁演示仪的设计与研究

方必成 金春辉 盛 涵 楼子谦 呼格吉乐
湖州师范学院 理学院物理实验教学示范中心 浙江湖州 313000

训练计划“实验室开放项目”资助

【文章摘要】

基于对环形磁铁的深入研究，研制出了“环形磁铁演示仪”模型。设计制作的此款环形磁铁演示仪能够很好地解决分析研究环形磁铁磁感线分布情况，可以使人们更清晰、直观地观察，利于更进一步探究环形磁铁的磁场分布。本文详细介绍了此款环形磁铁演示仪的设计与制作。

【关键词】

环形磁铁；模型；小磁针；使用说明

引言

作为一种人工磁化而制成的磁铁，环形磁铁有其本身特别的优点和用处，研究它的磁场分布对了解环形磁铁的性质有着重要的意义。在高中物理教学中，磁场力是重要内容之一，但对于环形磁铁的磁场分布，没有相应的演示仪器。部分学生在解这类问题时，缺乏感性知识，总是半信半疑。同时磁场内容，在电磁学中是很重要的一部分。环形磁铁在日常生活中有很大的作用，如耳机，扬声器中的使用。在平常教学中只对条形磁铁等常见磁铁的研究而缺少对环形磁铁的深入探究，也就缺少演示环形磁铁磁感线的具体分布的演示仪。设计制作该演示仪是为使环形磁铁磁感线分布情况更清晰、直观的观察到，对环形磁铁磁场分布的进一步探究提供方便。

1　功能简介

“环形磁铁演示仪”模型中，将许多的磁化良好地小磁针制钉在透明的塑料板上，正反面间隔的钉，可以直观清晰地演示出此时环形磁铁的磁感线的分布情况。上下移动模型中连接环形磁铁的杆，小磁针会随着环形磁铁移动演示出磁铁移动后空间磁感线的分布。直观形象的解决了环形磁铁磁感线分布的问题。

2　“环形磁铁演示仪”的主要结构和实物图

图1　“环形磁铁磁感线演示仪”模型结构图

本模型主要是环形磁铁（强磁）、透明塑料板、塑料棒、小磁针等制成。

图2　“环形磁铁磁感线演示仪”实物图

3　“环形磁铁演示仪”的物理原理分析

物理模型“环形磁铁磁感线演示仪”，在其物理模型的基础上，研究环形磁铁磁感线的大致分布，在研究其原理，探究其原理的性能与应用。

3.1磁场的产生和制作

磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性，由运动电荷或电场的变化而产生的。铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质有所不同，它内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，这种自发磁化区就叫磁畴。人造磁铁通常是用钢或某种合金制成的，根据需要有条形磁铁、针形磁铁、蹄形磁铁、圆形磁铁和其他各种形状。

3.2小磁针演示环形磁铁周围的磁场分布

小磁针是带有一定磁性的针。将针在磁铁上摩擦数次，使其产生一定的磁性。小磁针具有一定的磁性，能够感受到磁铁周围的磁场。与铁粉演示环形磁铁周围磁感线的原理一样，也能演示环形磁铁周围的磁感线。磁场对放入其中小磁针有相互作用，并且小磁针具有可以明显区分的南北极，小磁针静止时N极的指向就是该点磁场的方向，利用小磁针模拟环形磁铁周围磁感线的分布更清晰，因此也更能直观的知道环形磁铁周围磁场的分布情况。

所以环形磁铁磁感线演示仪，利用磁场的一些基本的性质，采用受磁化较好的小磁针，能生动形象地来演示环形磁铁周围磁场的分布情况，以更清晰更直观的方式表现出来。

4　“环形磁铁演示仪”的制作方法

（1）取一块塑料板，切割出六块矩形（5cm×10cm）和两个圆（R=4cm）

（2）加工矩形塑料板，打磨一长边具有一定弧形。用电钻在塑料板上打孔备用。

（3）取吸管，剪成长约为1cm备用。

（4）取一块塑料板，将1cm长吸管插入塑料板小孔中，套上经过一星期磁化过的小磁针，所有磁针的正面朝同一方向。在一块塑料板上，正反两面间隔套上小磁针，避免磁针间的碰撞所产生的影响。用电烙铁熔化吸管吸管两头，并压成圆饼状，以防止小磁针脱落。以此方法完成其余五块。

（5）取一塑料圆，在中心钻孔（r=0.5cm）备用。

（6）取一根半径为0.5cm，长为8cm的塑料棒，一端固定在环形磁铁上，备用。

（7）将六片装有小磁针的塑料板均匀的安装在一片圆形塑料板上；将固定有塑料棒的环形磁铁放入六片塑料板的中心（塑料棒朝上）；取另一片圆塑料板（中心有小孔），盖在它们之上（塑料棒穿过小孔）并固定。

（8）做适当细节处理，打磨美观等，最后完成环形磁铁演示仪的制作。

5　“环形磁铁演示仪”的性能及用途

（1）环形磁铁演示仪毫无危险性，可靠性和安全性高，可大胆使用。原材料易得，大部分可从生活中找到，如塑料板，细吸管等等。

（2）环形磁铁演示仪经久耐用，可操作性强，能很好的演示，现象明显，观赏性极高。可以随时随地进行演示，能够非常清晰直观演示出环形磁铁的磁场分布情况。

（3）环形磁铁演示仪操作简单，可适合各文化层次人员的交流，学习和研究以及娱乐等用。

（4）环形磁铁演示仪可以深入探究环形磁铁的磁场，进一步了解环形磁铁的磁场，为环形磁铁应用做准备。

【参考文献】

［1］王瑞凯，左洪福，吕萌.《环形磁铁空间磁场的解析计算与仿真》［J］.航空计算技术2011（05）

［2］程红《再探“环形磁铁”磁场问题》［J］.物理教学探讨2005（21）

基金项目：湖州师范学院大学生创新创业

【作者简介】

方必成（1994-），男，浙江义乌人，湖州师范学院理学院物理学专业13级学生。

指导老师：呼格吉乐（1980-），男，蒙古族，内蒙古通辽人，高级实验师，工程硕士学位，湖州师范学院省级物理实验教学示范中心，从事物理实验教学与物理教学仪器开发。