抗磁和顺磁性材料在磁场中弱磁力实验测量.pdf

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1、第32卷第l期大学物理Vo1．32NO．12013年1月C0LLEGEPHYSICSJan．2013抗磁和顺磁性材料在磁场中弱磁力实验测量雷一明，蔡舒啸，黄晓飞，王锦辉(上海交通大学物理系，上海200240)摘要：对抗磁性材料和顺磁性材料在强磁场中的弱磁力进行测量．利用设计的实验装置，成功测得抗磁性石墨片和顺磁性材料铝片在永磁铁阵列表面受到的弱磁力．研究证明弱磁力的大小与磁场及磁场梯度乘积成正比．关键词：抗磁性；顺磁性；弱磁力；实验测量中图分类号：O441文献标识码：A文章编号：1000．0712(2013)O10035—03现代物理揭示一切物质都具有磁性，但是只有场强度之间的关系B

2、=／zH代人上式可得很少一部分物质在特定的情况下表现为强磁性，大F=VH(2)多数物质都只是具有弱磁性．但在处理问题时常常由此可知，物质在磁场中所受的力F与V成将弱磁性视为没有磁性，这是普遍存在于同学间的正比．由于不同物质具有不同的磁化率，而抗磁性材一种观念．料磁化率为负值，顺磁性材料的磁化率为正值，这表事实上，弱磁性分为抗磁性和顺磁性两种，而这现为抗磁性和顺磁性材料所受的弱磁力7的6方向5432l两种物质在实际生活中都有极大的用处．抗磁性物相反．质在受到外加磁场作用时，会获得方向与外磁场相2实验测量及结果反的磁化强度．利用抗磁性物质的这种特性可以实现常温无源条件下永磁体的完全无接触

3、悬浮，这种2．1实验装置不需要任何的外加辅助的悬浮被称为真正意义上的为了达到测量弱磁力的目的，我们设计并制作悬浮¨，我们常见的水、碳、铜等都是抗磁性物质；了图1的实验装置．利用图示的受力分析可知，石墨而顺磁性物质与抗磁牲物质不同，它具有正的磁化片在磁场中受力F满足率，在外磁场中会激发出与外磁场方向相同的磁化F=mgtanOt(3)强度，臭氧、金属铂、金属钠等就是常见的顺磁性1底座2．标尺物质．3．磁铁固定架本文将利用自行设计的实验装置来探寻抗磁性4弱磁性材料片5．铷铁硼磁铁材料和顺磁性材料在强磁场中表现出来的特性，分106．标尺析弱磁性物质在强磁场中所受磁力的性质．7摆线98．丝杠9

4、．套筒1理论分析8lO．套杆上的刻度}弋对于放人强磁场中的弱磁性物质，当强磁场的磁感应强度为曰，物质的磁化率为时，弱磁性材料F1mg片在水平方向受磁场作用力而获得的总势能为材料片受力分析图U=-xBzV(1)图1实验装置其中为弱磁性材料片的体积．将式(1)代人F=其中角为石墨片处于平衡位置时绳与初始标定位1一V，可得F=，将磁场的磁感应强度与磁置的夹角．根据图中各量的关系，可得：收稿日期：2012—05—23；修回日期：2012—07—12基金项目：上海交通大学第2O期本科生研究计划T072PRP20005)资助作者简介：雷一明(1992一)，男，上海人，上海交通大学2010级本科生

5、．36大学物理第32卷tan音(4)D=Lsin一d(5)其中s为摆线偏离在2号标尺上的距离，日为2号标尺与摆线顶端的垂直距离，D为实验材料与磁铁表面的距离，为摆线的长度，d为磁铁偏离标定位置的水平距离．2．2抗磁性材料受力分析选取厚度为0．1mm、形状为正方形的石墨片作为被测的抗磁性材料，测量出不同边长石墨片的质量并做好记录．在实验中保持2号标尺与摆线顶端的垂直距离图3不同大小石墨片在强磁场中的压强关系不变，通过调节磁铁偏离标定位置的水平距离d增加而减小．来改变实验材料与磁铁表面的距离，测量出对应的在文献[4]中对抗磁性材料受力进行了模拟，摆线长和石墨处于平衡位置时摆线在2号标尺上

6、发现实验所得结果与理论相一致，误差在2％左右，的偏离距离s，由式(3)一式(5)可以得到石墨平衡这就验证了弱磁性物质在强磁场中受力F与V成位置处石墨片所受到的弱磁力．由测量数据得到图正比的结论．2的受力关系曲线．2．3顺磁性材料受力测量对于顺磁性的研究，我们选择铝片作为实验材料，这种铝片厚度是0．1mm，形状为正方形．由于铝片的磁化率的数值为正值，产生的磁场与外磁场相同，所以不能采用与抗磁性物质相同的方式进行测量．在悬挂铝片的摆线呈竖直状态时，将材料片对准磁铁中心，并将材料片与磁铁中心位置贴合在一起．慢慢的转动丝杠使磁铁架在滑道上缓缓移动，直到材料片开始从磁铁上剥落时停止，并将材料片

7、重新贴合在磁铁表面．对丝杠进行微调，使材料片达到从磁铁上剥落的临界位置，记录下此时磁图2不同大小石墨片在强磁场中的受力情况铁偏离标定位置的水平距离d和摆线长度．这样就可以求得铝片所受到的磁力大小．测得的数据如从图2中可以看出对于同一大小的石墨片，在表1．强磁场中所受磁力随着距离的增加而减少，且随着表1不同大小铝片在强磁场中受力与所受压强大小距离的增加，减小的趋势越来越弱，最后趋近于零．另外可清晰看出对于不同大小相同厚度的石墨片，受力曲线的变化趋势是相同的，