探究磁铁在几种特殊环境下磁力的变化情况

王昊泽

摘要：本文通过实验过程，对于磁铁有了更加深刻和全面的理解，而利用磁铁的这些特殊性质，在安全开关、防火灭火等方面将会发挥很大作用，真正把科学知识服务于生活。

关键词：探究磁铁；磁力；实验

一、实验准备

实验目的：为了探究磁铁磁性受高温与强磁场环境的影响程度，并且找到U形磁铁的居里温度。了解为失去磁性的磁铁重新充磁后的磁力变化。

实验材料：

永磁铁：两块，分别为U形和条形。

高斯计：410型，最小分辨率为0.1GS，量程为2000GS。

电源：直流稳流电源，最大输出电流为400A，最大输出电压为50V。

两极直流电磁铁。

RJX25—13型箱式高温电炉（最高加热温度为1350℃）。

实验设计：

用高斯计测量一块U形磁铁和一块长条形磁铁，分别放入强磁场及高温环境中，不断改变输入电磁铁的电流和电炉温度，同时记录数据最后进行分析。把失去磁性的磁铁放入直流电磁铁中进行充磁。

二、实验猜想

在日常生活中原本磁力很强的磁铁由于在强磁场的环境下磁力的方向以及大小会发生变化，例如小磁铁在两块大磁铁的干扰下磁力会有所减弱；磁铁放在炉子旁，磁力也会有所减弱；铁钉吸附在磁铁上，经过一段时间后会有磁性。通过查阅资料，我知道每一块磁铁都有不同的居里温度（即磁铁在该温度下会失去磁性），而我们在学习中常见到的磁铁的居里温度是多少呢？

带着生活、学习中许许多多有关磁铁磁力减弱、消失、产生的种种疑问，我进行了具体的实验，并且得到了较为准确的结论。

经过认真的分析以及查找资料我发现，使磁铁的磁力减弱或消失的条件有：高温环境、强磁场环境以及强烈震动等。所以着重对高温以及强磁场两种环境下磁铁磁力减弱或消失的情况进行了实验；实验的目的是发现磁铁在高温环境下磁力的变化情况，并尽可能地发现其中的一些规律。

用高斯计对磁铁进行磁场值的测量。为了使数据更加准确，我采用了一个磁极多点测量的办法，即以一个磁极的中点为主要测量点，把磁铁四角的四个点作为辅助测量点，具体点的命名是：N极的四角分别为A、B、C、D；S极的四角分别为E、F、 G、H；N极的中点为P，S极的中点为Q。

三、实验过程

1、强磁场环境下的实验。我们在实验室中先用高斯计测量了条形型铁N、S两极的磁场值，接着我们将其放入了直流电磁场中，这时将经稳流电源整流、滤波后的直流电通给直流电磁场一定安培的电流，用高斯表测量强磁场内的磁场值，之后关闭稳流电源，拿出条形磁铁，再次用高斯表测量其N极、S极的磁场值的大小，进行对比之后，重复以上步骤，只是逐步增大其输入电流，记录不同的数值之后画出曲线图，通过曲线对数据进行分析。

这个实验最终测量出来数据基本符合我的预料，在强磁场环境下的数据所呈现的曲线较为不规律。对照曲线图可以看到对电磁铁所加电流小于20A时，磁铁正负磁场的磁场值变化不大，磁极也没有发生任何偏转，当输入电流大于20A时，磁铁的磁极以及磁场值发生了许多变化，N极的五个测量点大幅度减小，平均都在六分之一到七分之一左右，而S极也发生了许多变化，输入电流由1 8A变为21A时，S极的Q点由-319GS变为42GS。另外，不但数值发生了很大的变化，极性也发生了偏转。在测量的五个点中有三个发生了偏转，之所以两极的磁场值发生巨大的变化，是因为输入直流电磁场的电流是21A时，电磁铁中的磁场值明显超过了磁铁两极的磁场值，所以会对磁铁产生很大的影响。在后来的几次测量中，磁极的磁场值变化都不是很大，直至将输入电流增加到40A时，N极的几个辅助测量点都发生了偏转，主测量点的值也已经变得很小，而S极的磁场值也已经完全成为正值，这说明磁铁的两极在此时已经完全发生了变化。紧接着就将输入电流增大至200A，这时电磁铁内的磁场值是输入电流为40A时的10倍，这时的磁铁的磁极已经与外面的涂漆标志相反了，这块磁铁的涂漆为S一端已经可以和一块正常的磁铁涂漆为S的那一端相吸引了。

2、高溫环境下的实验。为了发现温度对于磁铁磁力的影响，我们采用高温电炉对磁铁进行加热，用高斯计对磁铁的磁场值进行测量，以温度每升高20℃为界限对磁铁进行测量，通过查资料我了解到磁铁在高温时与降温后的磁场值变化不大，所以测量磁铁时都是在磁铁从电炉中拿出用水冷却后才进行测量的。

在这个实验数据中，可以明显看到N、S极的P、Q点的磁场值都是随着温度的上升而下降的，当温度在220℃～300℃之间时磁场值下降最快，当炉内温度到达300℃左右时，磁铁被加热到340℃时，磁铁两极的磁场值都降至很小，温度到360℃时，两极磁场值均变为0。

3、对U形磁铁重新充磁的实验。最后一个实验中，我打算对已经完全失去磁性的磁铁放入直流电磁铁中进行充磁，把它按照一定的方向放入，然后再给电磁铁通上400A的电流，五秒钟后将电磁铁断电，用高斯计测量，测得数据S为-92.8GS，N为77.6GS，虽然它的磁场值没有实验前大，但现在仍有一定磁性，可以吸引起小块金属。

四、实验结论

磁铁在高温以及强磁场环境下磁力会发生变化：磁铁在高温环境下磁力会减弱直至消失；磁铁的磁场方向在强磁场环境下会发生变化，甚至发生磁极的偏转；没有磁性的金属在强磁场环境下会具有一定的磁力。

五、实验分析

在外界强磁场的作用下，有些物质内部原本的、各自运动的电子，全部排列整齐，而此时，电子旋转产生的磁效应与外界磁场方向一致，物质便呈现出磁性。同理，若是让正常的磁铁处在强磁场环境下，磁铁内部的电子旋转的磁效应与外界磁场方向不同，所以磁铁内部的一部分电子旋转的取向会受到外界强磁场的干扰而发生变化，这时磁铁内部的电子旋转的取向不同，一部分分子电流互相抵消，使磁铁内部的磁场方向发生很大的变化，甚至发生磁极偏转。而磁铁在高温环境下磁力消失是因为磁铁内的分子在高温环境下热运动会加快，改变了电子运动方向的规律性，会使分子电流互相抵消，从而使磁铁的磁力减弱直至消失。对磁铁进行重新充磁，使原子的电子排列重新具有规律性，而使失去磁性的磁铁重新具有磁力。

六、实验感悟

通过这次实验过程，我对于磁铁有了更加深刻和全面的理解，而利用磁铁的这些特殊性质，在安全开关、防火灭火等方面将会发挥很大作用，真正把科学知识服务于生活。