水的抗磁性演示实验

刘志海，武立华，赵原锋，吕海军，宋泓儒，娄存恺，李珊珊

(哈尔滨工程大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

任何物体在磁场作用下，都会产生抗磁性效应. 抗磁性的本质是电磁感应定律的反映. 外加磁场使电子轨道动量矩发生变化，从而产生了附加磁矩，附加磁矩的方向与外磁场方向相反. 在磁场作用下，电子围绕原子核的运动与无磁场时的运动相同，但同时叠加了轨道平面绕磁场方向的进动，即拉莫尔进动[1-2]. 从原子结构来看,呈现抗磁性的物体是由具有满电子壳层结构的原子、离子或分子组成的[3]. 物体的磁化强度M与磁场强度H的方向相反. 从M=χmH的关系来看，磁化率χm是负的.

根据物质的磁化率研究相关物质的结构是磁化学的重要研究内容,一些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直流)磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振(常称为回旋共振)，由此可以测定半导体中载流子(电子和空穴)的符号和有效质量. 根据生物抗磁性组织的磁化率异常变化可以推测该组织发生病变(如癌变)[4-5]. 抗磁性物质在磁场中还可以实现稳定悬浮[6-8]，例如《Nature》杂志报道了日本东京大学Ikezoe等在氧气介质中悬浮起水滴的研究工作[7]. 实际上，自然界中绝大多数物体都是抗磁性的. 但是因为抗磁性很弱，所以很难通过实验观察到物体的抗磁性.

1 水的抗磁性实验

水的磁化强度M与磁场强度H的方向相反，外加磁场[9]使组成水分子的原子中运动的电子轨道动量矩绕磁场进动，产生与磁场方向相反的附加磁矩，故磁化率χm为很小的负值(10-5～10-6量级). 因此，水表现出抗磁性. 但是水的抗磁性非常微弱，常规实验观察不到其抗磁现象.

1.1 磁铁“吸引”小纸片

在强磁场作用下，水分子的原子中运动的电子进动，产生与外磁场方向相反的附加磁矩，附加磁场与外磁场方向相反，所以外磁场对水产生排斥作用. 这种排斥效应与外磁场强度成正比.

当外磁场对水产生排斥作用时，由于水表面张力的存在，水膜不会破裂. 因此，在强磁场作用范围内，水面将产生凹陷，凹陷程度与磁场强度正相关. 当水表面凹陷处有轻小物体漂浮时，轻小物体在自身重力和水面浮力作用下受力不平衡(图1)，产生运动的趋势. 当磁铁缓慢向右运动时，受磁场作用产生的凹陷部分也会随磁铁的运动改变位置. 在此过程中，轻小物体始终没有达到平衡状态，其合力将驱使轻小物体跟随磁铁缓慢运动. 仿佛是轻小物体受到磁铁的吸引而向前运动.

图1 磁铁“吸引”小纸片实验原理图

图2为实验操作过程中纸片初始位置，图3为末位置，红色线为纸片和磁铁的运动轨迹.

图2 纸片初始位置

图3 运动轨迹和纸片末位置

1.2 磁铁致水球旋转

如图4所示的装置，当磁场作用在水球时，外磁场对水将产生排斥作用，这样2个水球(装有相同质量水的气球)在磁场排斥力矩作用下绕轴转动起来.

装置在平衡状态下，用磁铁作用在一个水球处，在另一个水球的牵引作用下，会产生向心力，使得水球转动. 当磁铁持续作用时，水球始终处于加速状态并会越转越快.

水球处于初始旋转状态，用磁铁靠近水球尝试阻止其旋转，当受到磁场作用后，装置的旋转速度变慢并停止.

在装置平衡状态下，用磁铁从水球下部间歇作用，作用频率与水球升降保持一致，一段时间后发现2个水球有较大幅度的上下沉浮.

图4 磁斥力旋转装置图

2 水的抗磁性与外磁场关系的设计实验

水的抗磁性与外界磁场有一定的关系，外磁场越强，水的抗磁现象越明显. 当磁铁置于水面上方时，磁场作用区域的水面会向下凹陷. 磁场越强，水面的凹陷程度越大；反之，水的凹陷程度越小. 所以水的抗磁性可以利用水面的凹陷程度来表征.

实验装置如图5所示，实验装置包括玻璃水缸(长0.8 m，宽0.4 m，高0.6 m，厚7 mm，n=1.5)、激光器(550 nm)、荧光染料[10]、强磁铁. 激光透过玻璃缸在水面凹陷处发生全反射[11-12]后到达接收屏.

图5 演示水的抗磁性装置图

实验中利用光学的方法将水面凹陷进行放大，通过接收屛光点位置随外磁场强度的变化来表征水面的凹陷程度，即水的抗磁性. 实验光路如图6所示.

图6 实验光路

实验中使用柱形磁铁，其磁场分布如图7所示，由图7可知其磁场在两端最强.

图7 柱形磁铁磁场分布

保持磁铁与水面的垂直距离不变，通过控制磁铁叠加数目控制磁铁对水面的作用力，实验中叠加磁铁的数量分别为4，6，8. 初始状态光点位置为10 cm，分别将4，6，8块叠加磁铁分别作用后，光点位移量分别为4.0，5.6，6.8 cm. 实验结果如图8所示.

(a)无磁铁

(b)叠加4块磁块

(c)叠加6块磁铁

(d)叠加8块磁铁图8 不同磁铁数量下接收屏光点位置图

水面与磁场的垂直距离越小其凹陷程度越大，水的抗磁性也越大. 叠加磁铁数目为4，改变磁铁与水面的距离D，取D分别为16，8，4，2 mm，实验现象如图9所示. 从图9中可以看到D分别为16，8，4，2 mm情况下光点移动量分别为0.6，1.3，3.4，4.0 cm.

(a)无磁铁

(b)D=16 mm

(c)D=8 mm

(d)D=4 mm

(e)D=2 mm图9 磁铁与水面不同距离时接收屏光点位置图

3 结束语

利用漂浮在水面的纸片和盛水气球设计了演示水抗磁特性实验，利用光学方法(水的全反射)观察水的抗磁效应，使得枯燥的物理理论生动活泼，激发了学生学习大学物理的兴趣，培养了学生的创新意识和综合实践能力. 该实验材料简单易得，可使学生切身体会到只要用心观察和思考，物理现象便无处不在.