静磁屏蔽现象探究

丁晨鑫 王国阳 苏波 卢迎 毛守莹 刘政言

摘 要：静磁屏蔽被应用于灵敏仪器保护，是一个重要的物理概念，文章设计了一种简单直观的方法来探究静磁屏蔽现象。用指南针、磁石及两个分别为铁质和铝制的金属盒子，来探究金属对外部静磁场的屏蔽作用，初步得到静磁屏蔽效果与屏蔽盒子的材料有关，铁质金属盒子对静磁场有屏蔽作用的结论。本研究为静磁屏蔽现象的演示和推广提供了新的可行性方法。

关键词：静磁屏蔽;小磁针;屏蔽盒;角度

中图分类号：O441.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）02-003-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.002

目前，电磁场污染严重，许多灵敏器件需要被保护，静磁屏蔽的作用就是防止外磁场进入被保护区域。目前，人们熟知静电屏蔽，但鲜有与静磁屏蔽有关的报道。这主要是因为其表现不易被展现或不够直观，所以在课堂和生活中没有被广泛演示。赵静、许利军[1]从屏蔽原理出发，探讨了屏蔽材料的性能和应用场合，简要介绍了电磁屏蔽技术。过祥龙[2]用直圆筒来做静磁屏蔽实验，用铁屑来表征磁场，但铁屑细小、不易操作且实验后不易清理，不是理想的演示方法。蒋守培[3]分析了三种电磁屏蔽的屏蔽壳特性，提出可将一块超导体放在外磁场中，其体内的磁感应强B永远为零。虽然超导体可以做到完美的静磁屏蔽，但是现在还不能普遍应用。目前，对于静磁屏蔽的概念及原理已经有了深入的研究，但是对于静磁屏蔽的课堂演示和普及较少。文章设计了一种简单直观的方法，用小磁针的偏转角度来表征静磁屏蔽效果，并通过实验证明了该方法的可行性，为静磁屏蔽的演示和推广提出了新的角度。

1 实验原理

1.1 静磁场

静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场，本研究用永久磁体来产生静磁场。

1.2 静磁屏蔽原理

将铁磁材料与要屏蔽的空间看作并联磁路，铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍，外磁场的磁感应线的绝大部分将沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少[4]，静磁屏蔽原理示意图如图1所示。这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有了外磁场，从而达到静磁屏蔽的目的[5]。

2 实验仪器与内容

2.1 实验仪器

本研究用磁石产生静磁场充当外部的干扰磁场，将铁质正方形盒子（9.8cm×9.8cm×9.8cm，厚0.5mm）和铝制正方形盒子（9.8cm×9.8cm×9.8cm，厚0.5mm）作为屏蔽盒子，由指南针的转动判断静磁屏蔽效果，指南针转过角度由量角器读出。

2.2 实验内容

首先，将小磁针放在量角器中心处，再将永久磁体靠近小磁针，分别测量小磁针静止时N极指向的角度。将小磁针放在屏蔽盒正中央，再将永久磁体靠近铁盒，小磁针静止时用量角器分别测量有无磁体时的N极指向。这时，通过前两步得到小磁针在有静磁场干扰和无静磁场干扰时的角度值，通过后两步得到小磁针被屏蔽盒子保护后的有静磁干扰和无静磁干扰时的角度值。将铁盒换为铝盒重复上述步骤。铁质屏蔽盒实验内容示意图如图2、图3、图4、图5所示。

表1和表2分别为用铁质和铝质材料充当屏蔽盒子进行实验的实验数据。第二列和第三列分别是小磁针在无静磁场干扰和有静磁场干扰时的小磁针指向角度。第四列是有静磁场干扰和无静磁场干扰时小磁针指向的差值，体现出外加静磁场的干扰对小磁针指向产生的偏转量。第五列和第六列分别是小磁针被屏蔽盒保护后的无静磁场干扰和有静磁场干扰时的小磁针指向角度。最后一列是小磁针被屏蔽盒保护后的有静磁场时和无静磁场时小磁针指向的差值，体现出有屏蔽盒子保护时外加静磁场的干扰对小磁针指向产生的偏转量。表1中第四列的平均值为176度，可以初步得出外加静磁场对小磁针指向的正确性产生了强烈的干扰，几乎使小磁针指向相反;表1中的最后一列的平均值为53度，可以得出当应用铁质屏蔽盒子时，外加静磁场对小磁针指向的干扰减弱，铁质屏蔽盒子可以起到静磁屏蔽的作用。采用类似地分析，表2中的第四列和最后一列的平均值为177度和175度，两数值近似，可以得出当应用铝制屏蔽盒时，并不能起到屏蔽作用。所以初步得出结论，大小厚度相同的金属盒对静磁场的屏蔽作用不同，铁盒子具有屏蔽效果，进而可以说明金属的屏蔽效果与金属材质有关。

3 结语

该研究利用指南针的特性表征屏蔽作用。指南针自然放置时，指南針指向南北方向。当在外部加入静磁干扰时，小磁针指向发生偏转，偏离南北方向。这时，在小磁针外部加上金属屏蔽盒子，小磁针向正确指向偏转，说明屏蔽盒子减弱了外部磁场干扰，证实了小磁针和金属盒子配合可以证明静磁屏蔽现象。该研究具有原理简单、材料易得、操作方便、结果直观等优点，可以应用于实际的课堂演示，为静磁屏蔽这一知识的普及和讲解提供了一种可行的方法。

参考文献

[1] 赵静，许利军.关于电磁屏蔽原理与技术的探讨[J].科协论坛，2011（1）：92-93.

[2] 过祥龙.静磁屏蔽实验[J].物理实验，1989（6）：249-250，280-281.

[3] 蒋守培.三种电磁屏蔽[J].物理教学探讨，2014，32（466）：62-63.

[4] 王春燕，刘亚民.三种电磁屏蔽的分析[J].呼伦贝尔学院学报，2008（2）：68-69.

[5] 窦超.浅谈电磁场屏蔽[J].科技视界，2012（15）：36-37.