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居里温度计,用温度驾驭磁性的实验现象

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在很深很深的地球中心,埋藏着一个困惑科学家很久的天大秘密——地磁。地磁就好像是地球中心的一块大磁铁,大磁铁的南北极大致平行着地理的南北极,它所造成的磁场笼罩整个地球和附近的太空。但令人费解的是,地心肯定没有这块大磁铁!

如果不使用指南针或测量磁场的仪器,人类的感官完全无法察觉地磁的存在。但是许多进行长途迁徙的生物,例如鸽子、龙虾、海龟、鲑鱼、蜜蜂以及候鸟,都能感受得到地磁,并且利用地磁导航,千里迢迢到达它们旅行的目的地。

世界各地所有具有磁性的东西,都会受到地磁微小磁力的影响。本身是一支针状小磁铁的指南针,只要不受其它力量的影响,并且能够轻易转动指向,就会被微弱但无所不在的地磁吸引。因为地磁的南北极大致平行地理上的南北极,所以当指南针受到地磁吸引,指向地磁的南北极的时候,也就指出了地理上的北方。

在酷寒的极地上,抬头仰望夜空,有时候可以看到瑰丽的极光,如同从太空垂下的巨大窗帘,寂静地散发出柔和的光亮,非常壮观。极光的成因也与地磁有关。从太阳喷发出来的高能带电粒子(又称为太阳风),射向地球时,在太空中因为受到笼罩整个地球的地磁磁场作用,会转向地磁的南北极,进而撞击极地高空的大气分子和原子,受到撞击的大气分子和原子于是发出亮光,形成极光。

承载历史的沉积物

具有铁磁性的东西,它的温度高于居里温度时,铁磁性就会消失;当它的温度下降之后,才又恢复铁磁性。地球内部的炽热岩浆,会从海底所谓中洋脊的地方升到地球表面,持续不断形成新的海洋地壳。在形成海洋地壳的冷却过程中,原本因为高温而消失磁性的矿物又恢复了磁性,这些矿物的磁性方向,于是记录着当时地磁的方向。科学家们发现,在不同时期形成并向中洋脊两侧扩张的海洋地壳中,磁性矿物的磁性方向不同,显示地磁的南北极过去曾多次反转。

深海沉积物殊途同归,也显示同样的结论:地磁的南北极过去曾多次反转对调。具有磁性的沉积物,就像一根根指南针,在海水中缓慢下沉时,会指着地磁的南北极,沉到海底后,再被后来不断沉积的沉积物迭压固定。科学家发现,先后沉积在上下层的沉积物,它们的磁性方向也因地磁南北极的翻转,发生反转对调的现象。

地球中心称为地核,由固态的内核和液态的外核构成,温度近乎太阳表面温度,实在太高,不可能有一块具有磁性的大磁铁。地磁生成的原因和地磁南北极对调的现象,至今仍是尚未完全解开的谜团。最新研究认为:液态外核的复杂对流,造成自激发电机的效果,是形成地磁的关键。科学家根据这样的理论,利用超级计算机进行仿真计算,的确可以模拟出,地磁强度和地磁南北极不定周期对调的现象。

本文介绍的这项实验,以同样具有铁磁性的镍为例,演示超过居里温度时,铁磁性消失,温度下降之后,又恢复铁磁性的现象。

 

图一:经过改良设计的居里温度计完成图。图中所标示的一至六,表示文中制作方法的(一)至(六)步骤,读者可以对照阅读。

 

 

制作方法与步骤

本次实验所需要的材料,包括白杨木、巴沙木、镍片、铷铁硼磁铁、铜片、铝片、缝衣针、大头针、载玻片与AB胶等。实验机具的完成图如图一,制作方法与步骤说明如下:

(一)取出一根长约40 公分、宽约1 公分、厚约0.5 厘米的白杨木,在其中心钻一小孔,整支白杨木杆用较大的钻头钻孔,尽可能镂空,并略微削薄,以减轻其重量,同时保持两侧平衡;此白杨木杆两端也钻若干小孔。

(二)剪出两片约2.2 × 2.2 平方公分的镍片,每张镍片的两侧用美工刀割出两个缝;再剪出两条长约8 公分、宽约0.5 公分的铜片。铜片一端穿过镍片两侧的两缝,并于外侧折迭,以类似编织的方式(先从一端缝中往上穿出,再朝下从另一端缝中穿出)将镍片固定在铜片两端(图二)。铜片另一端也钻有若干小孔,用细铜丝穿过铜片上的小孔和白杨木上的小孔,以捆绑的方式把连着镍片的铜片固定在白杨木杆两端。必要时捆绑用的细铜丝上涂上AB 胶,加强固定。

图二:在本实验中,不需要麻烦的焊接工具,读者以类似编织的方式,即可将镍片固定在铜片两端。

 

 
   

图三:白杨木及载玻片制的轴承。最下方为一片载玻片,载玻片上方有片薄白杨木,其中有一小孔,白杨木杆的缝衣针置入小孔,缝衣针的上端,再穿过另一片薄白杨木的小孔,缝衣针针尖顶住载玻片。

 

 

(四)制作杆状飞轮:先将一根长的缝衣针用AB 胶固定在长6 公分的白杨木上,作为转轴,距离缝衣针约3 公分处,再用AB 胶垂直固定一根大头针,作为曲轴。另外,可用其它白杨木装饰杆状飞轮的两端(图四)。

图四:杆状飞轮以缝衣针作为转轴,大头针作为曲轴,白杨木饰以红色硬纸。杆状飞轮的缝衣针转轴置轴承中,缝衣针针尖顶住载玻片。

 

图五:白杨木制底座上黏有适当高度的支架,安装两个轴承,杆状飞轮和两端有镍片的白杨木杆在同一高度。连杆两端的两小孔,分别套住杆状飞轮的曲轴和白杨木杆上的大头针。

(六)座上另外黏有适当高度的支架安装两个磁铁,以便吸引白杨木杆两端的镍片。

 

 

酒精加热,飞轮往复作动

轻轻转动白杨木制成的杆状飞轮,使两侧镍片最靠近磁铁的距离大致相同。各别在两侧镍片最靠近磁铁的位置,放两盏酒精灯,点燃酒精灯,酒精灯的火焰越旺越好。再持续转动杆状飞轮,使两侧镍片轮流受到酒精灯火加热,再放手让整个机构自行运转,两侧镍片因为间歇受到酒精灯加热,时而丧失铁磁性,时而恢复铁磁性,不断受到磁铁间歇性的磁力,产生摆动,进而带动连杆往复推动杆状飞轮(图六)。

图六:两侧镍片因间歇受酒精灯加热,受磁铁间歇性的磁力,产生摆动,进而带动连杆往复推动杆状飞轮。

 

图七:即便移除任一侧的磁铁和酒精灯,仅存的一块磁铁和酒精灯,仍能驱动整个机构持续运转。

创意与原理

由于过去这项实验的各种设计,实验者常须小心翼翼地调整才能勉强作动,而磁铁与火焰的相对位置也不易妥当安排,磁铁难免被意外加热,影响磁力和仪器寿命。这项创作的着眼点,在于装置的可靠、耐用,和用相当新奇的方式,突显出铁磁性随温度升降而消失、恢复的现象。利用最近火焰的铝片,经铝片内传导和周围空气对流散热,及利用铝片和磁铁之的空气和木片绝热,使磁铁受到充分隔热保护,避免高温破坏磁铁的磁力。

此外,利用两镍片的往复运动,经连杆推动飞轮旋转,一方面突显镍片因酒精灯加热,失去与磁铁之间的引力,冷却后又恢复引力的现象;另一方面,旋转的飞轮,经连杆简单控制了镍片摆动的范围,方便酒精灯加热,可以非常简单且十分可靠的进行实验。从实际操作中发现,镍片温度升降愈迅速,仪具运转得愈快,所以薄一点的镍片(厚度大约0.3 厘米以下)效果较佳;因高温的镍片很容易在空气中冷却而恢复铁磁性,镍片降温不是症结所在,充分利用酒精灯火焰迅速加热镍片,有助于提高飞轮转速。

拿掉其中一块磁铁和酒精灯,用仅存的一块磁铁和酒精灯,整个机构仍能持续运转(图七)。用两组磁铁和酒精灯,只为确保机构随便就可作动。

 

(五)为了将杆状飞轮和两端有镍片的白杨木杆,安装在适当的位置,用白杨木制一底座,底座上黏有适当高度的支架,用来安装两个轴承,使杆状飞轮和两端有镍片的白杨木杆在同一高度。长度约20公分巴沙木的两端钻两小孔,作为连杆,两小孔分别套住杆状飞轮的曲轴和白杨木杆的大头针(图五)

 

轴承的最下方为一片载玻片,载玻片上方安装一片中间有一小孔的薄白杨木片。先将白杨木杆中心的缝衣针,置入白杨木薄片中的小孔,白杨木杆中心的缝衣针的上端,再用另一片中间有一小孔的薄白杨木片局限住。于是,上下两片白杨木薄片的小孔框住缝衣针的上下端,缝衣针下方的针尖则顶住载玻片。(三)将缝衣针垂直穿过白杨木杆的中心孔,确认垂直之后,以AB 胶加以固定。另外,在距离缝衣针约10 公分处,用AB胶垂直固定一根大头针。再利用白杨木及载玻片制成一个轴承,主要构造如图三所示。

 

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