磁铁在强磁场及高温环境下磁力的变化.doc

磁铁在强磁场及高温环境下磁力的变化
崇信一中 高二一班活动小组
组员：张宏奎、于坤義、刘国栋、梁国辉、王 力、
李明强、王明生、马亮亮、文海刚、史文涛
【目的】
为了发现磁铁磁性受高温与强磁场环境的影响，并且为了找到我们在学习中常见的U形磁铁的居里温度，我们进行了实验。
【思路】
为发现磁铁磁力减弱或消失的变化情况，我们准备采用模拟这两种环境的方法。强磁场的环境采用直流电磁铁来模拟；高温环境采用高温电炉进行模拟。
　　【工具材料】
　　永磁铁：两块，分别为U形和条形。
　　高斯计：LakeShore制造的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。
　　天津电炉厂制造的RJX25—13型箱式高温电炉，最高加热温度为1350℃。
　　【制作过程】
　　用高斯计测量一块V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。
　　【科学性】
　　本次实验得到了准确的数据，并进而得到一些简单的物理结论。
　　【先进性】
　　本次实验完全由学生设计，亲自动手操作，不拘泥于资料中的数据，通过自己设计的实验方法，找到了问题的答案。
　　【创新点】
　　根据设计实验思路，提出具体的操作方法，并亲手操作，得到了最后的结论。
　　作品简介
　　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，在高温情况下，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，我们查阅了许多资料，知道每一块磁铁都有不同的居里温度(Curie Temperature)，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，我们进行了具体的实验，得到了准确、定量的物理结论。
　　经过认真的分析以及查找资料我们发现，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。我们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，预计在最后数据构成的曲线图像中可以发现一些大致的趋势和简单的规律。
　　我们用高斯计对磁铁进行磁场值的测量。为了使数据更加准确，我们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，因为在永磁铁中，磁感线的分布在磁铁的四角有重叠部分，所以不很准确，而中心能够准确地反映磁极的磁场值，所以在数据中我们以磁极中心的磁场值为最主要的数据，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。
　　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。
　　2．高温环境下的实验
　　我们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，因为条件不允许，而且通过查资料我们看到磁铁在高温时与降温后的磁场值变化不大，所以我们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。
　　3．对U形磁铁重新充磁的实验
　　在实验的最后，我们准备对已经完全失去磁性的磁铁放入直流电磁铁中进行充磁，即将其按照一定的方向放入(即将其侧放，目的是尽可能使直流电磁铁的磁感线符合U形磁铁原始的磁感线分布，真正达到充磁的目的)，然后再给电磁铁通上400A的电流，五秒钟后将电磁铁断电，拿出磁铁，经过高斯计测量后，测得S为-92．8GS，N为77．6GS，虽然它的磁场值没有实验前大，但现在仍可以吸起小块金属。
　　这次实验最终测量出来数据基本符合我们的预料，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。在我们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。紧接着我们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。在高温环境下的实验数据中，我们可以明显看到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，磁铁被加热至红热状态，温度达到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。
　　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。
　　一切物质都是由它的分子组成的，分子又由原子组成，原子由原子核和核外电子组成，电子在不停地自转和绕原子核旋转，电子的这两种运动都会产生磁性。但由于其运动的方向各自不同，普通的金属内部各个分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性。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。磁铁之所以能吸住铁钉，是因为具有磁性的磁铁靠近铁钉时，铁钉内的原子被磁铁磁化。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会有所不同，会有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。
　　通过这次实验我们对于磁铁退磁得到了更加深刻的理解，而利用磁铁的居里温度以及磁极偏转这些性质，可以为我们更好地服务。例如，电饭锅底部的控温装置就是利用了磁铁居里温度这一特性，该装置用的就是一块居里温度是105℃并且在降温后磁性还会恢复的磁铁，当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100℃上升。当温度到达大约105℃时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时将电源开关断开，停止加热，如果在不方便测温度的情况下，可以放入一块磁铁性质已知的磁铁，最后通过分析磁铁的磁场值的变化来估算温度最高达到了多少。利用这些性质在安全开关、放火灭火方面有很大作用，当然这些都是一些设想，若要真正实现还需要我们的进一步努力。