磁铁与未磁化的铁磁质之间的磁力永远是吸引力吗?

卞悠悠 季雅惠 董启飞 侯吉旋

(1. 东南大学吴健雄学院,江苏 南京 211189; 2. 东南大学物理学院,江苏 南京 211189)

磁铁又名吸铁石,顾名思义就是指其具有吸引铁磁质的能力. 早在公元前数百年,古籍中就有了磁石能吸铁的记录.[1]本文将探讨磁铁与未被磁化的铁磁物质之间的磁力是否总是吸引力.

为了简化所讨论的问题,本文仅仅研究形状对称的条形磁铁,因为条形磁铁的中心点很容易被确定.另外,为了让要讨论的问题更加明确,我们先说明如何定义“吸引”力. 假设条形磁铁的中心点和铁磁物质分别处于某个平面(z=0平面)的两侧,条形磁铁的中心点处于上半空间(z>0)而铁磁物质处于下半空间(z<0), 那么吸引力就是指条形磁铁受到的磁力F的z方向分量小于0, 即Fz<0, 如图1所示.

图1 条形磁铁与带有圆孔的铁板(侧视图)

图2 条形磁铁中心处于铁板的圆孔中时(z=0)空间中的磁感线分布(侧视图)

图3 系统磁场能U随距离z的变化

以上我们从势能的角度阐释了条形磁铁与带有圆孔的铁板之间产生排斥力的机理.为了验证我们的理论,我们利用简单的器材进行了相应的实验,实验装置如图4所示.条形磁铁由铁氧体材料制成,尺寸为40 mm×9.5 mm×9.5 mm.厚度为0.5 mm面积为200 mm×200 mm的冷板作为铁板, 并在其正中心钻了直径为15 mm的圆孔. 条形磁铁利用细线竖直悬挂在弹簧秤上,条形磁铁自重为0.17 g. 铁板水平放置,为了能让条形磁铁

图4 实验装置图

在竖直方向上自由进出铁板上的圆孔而不至于左右晃动.在圆孔上插上了光滑的玻璃套管作为条形磁铁的轨道,并且玻璃套管内径略大于条形磁铁的外径. 在忽略摩擦力的作用下,弹簧秤的示数减去条形磁铁的自重便是条形磁铁所受到铁板给予的磁场力Fz. 为了消除玻璃套管与条形磁铁之间的摩擦力影响, 笔者将磁铁缓缓地从上往下放(z由大变小)测得一组{z,Fz}数据,再将磁铁缓缓地从下往上提(z由小变大)再测得一组{z,Fz}数据,两组数据相互比较就知道摩擦力的影响. 所有数据都是经过5次独立实验取得的平均值,结果显示在图5中.

图5所示为实验测量得到的磁力与距离之间的关系.圆点表示磁铁缓缓地从上往下放(z由大变小)测得的数据,方点表示磁铁缓缓地从下往上放(z由小变大)测得的数据从图5中可以看出,当条形磁铁的中心距离铁板1 cm以上时,磁力都是吸引力;而条形磁铁的中心距离铁板在1 cm之内,便会出现排斥力．摩擦力对实验结果的影响在0.005 N之内,小于排斥力的最大值(约为0.015 N),因此实验结果是可信的．

图5 实验测量得到的磁力与距离之间的关系

综上所述,我们研究了磁铁与未磁化的铁磁质之间的相互作用力,从势能的角度在理论上阐释了它们之间磁力为排斥力的机理,并且利用条形磁铁与未磁化的薄铁板进行实验证实了它们之间的磁力可以是排斥力．