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摘要：
為了對磁場分布以及磁場對物質磁化現象有更加深入直觀的了解和認識，利用永磁鐵排列成一定結構，對磁場分布特性進行了計算機模擬，表明該結構能夠在磁鐵表面形成一種類似正弦波的磁場分布。再利用石墨的抗磁性，將鉛筆芯放置在磁鐵表面，磁化時產生的磁場和原磁場相斥，豎直方向斥力和重力平衡，水平方向借助磁場分布實現平衡，從而可以實現穩定的磁懸浮。該實驗對認識磁場分布、磁化現象、抗磁性具有一定幫助，同時也能激發學生對磁場知識學習的興趣和實驗動手能力。
關鍵詞：
磁懸??；抗磁；石墨；鉛筆芯
在電磁學及電磁場的教學和學習過程中，相比電現象，磁現象總覺得比較抽象。與電現象相關的實驗也都比較豐富，如伏安特性測量、電橋測電阻、電阻的溫度效應、電場模擬等[1]。磁現象的實驗相對比較少，一些實驗要么特別簡單，如磁鐵吸引力的應用，要么特別抽象，如電子在磁場中的運動等[2]。這個差異主要在于電現象的實驗主要用電路來進行，電場被局限在導線內，從而容易控制和改變。而磁場由于其彌散性和磁力線的封閉性，要構造像電路一樣的封閉磁路系統，往往設備比較沉重[3]，不太適合開展實驗。磁現象的應用在生活中也是隨處可見，如磁卡、磁盤、防盜門的磁力鎖，工業上的應用更是較大體積的磁力吸盤，磁力位移平臺[4]。相比電的應用，磁有許多優點，比如不用絕緣處理，不用專門的電源、電線。當然要做到精確的控制，電磁和永磁的結合就更加完美，這時還是需要電源和電線的[5]。為了更好地理解磁場的分布特點和磁場對物質的相互作用，本文利用磁鐵和物質磁化時產生的斥力來實現一種穩定的磁懸浮，從而加深磁場分布及磁化現象的認識。
一磁懸浮原理
磁懸浮現象一直是人們感到神奇和有趣的現象。提起磁懸浮肯定會想到磁懸浮列車，由于不和軌道接觸，速度非?？?。很多人都曾想著用兩塊磁鐵的斥力形成磁懸浮，但是恩肖定理告訴我們，不借助外力，這是很難平衡的[6]。就像把一個小球放到一個大球上，很難穩定。當然利用陀螺旋轉可以使一個永磁鐵旋轉懸浮在另一個磁鐵上，但這個時間不會太長，最后會掉下來，而且操作難度比較大[7]。利用超導體的磁懸浮成本太高[8]，利用渦流原理實現的磁懸浮本質上也是抗磁性的體現[9]，利用電磁鐵反饋形成的磁懸浮展臺，已經商業化，價格較貴，制作也比較復雜[10]。超導體之所以可以在磁鐵表面懸浮，主要是利用了超導體的抗磁性，即在磁場磁化下產生反向磁場，這個現象對理解磁場和物質相互作用非常直觀，但由于超導體目前都需要低溫才能實現，實驗起來有一定的困難。作為一個演示實驗，我們可以利用一些常溫下也具有抗磁性的物質來實現?？梢哉f自然界中物質基本分為順磁物質和抗磁物質，順磁物質在磁場中磁化后和外磁場方向一致，加強了外磁場，這正是一些電磁線圈要加鐵芯的原因。而抗磁物質在外磁場磁化時產生和外磁場相反的磁場，這就為實現磁懸浮提供了懸浮力，本實驗正是利用了石墨的抗磁性。正如上面所說，兩個磁性相反的磁鐵很難達到穩定平衡，抗磁物質被磁化后就相當于一個磁鐵，也很難穩定平衡。利用特殊的磁鐵結構，構造出一種類似碗狀的磁場，可以將鉛筆芯牢牢地限制在磁鐵表面，從而實現穩定懸浮。一些常見的抗磁物質的磁化系數[11]，金屬鉍、石墨和熱解石墨的抗磁性最好，最適合做抗磁性的磁懸浮實驗，本實驗中選取容易獲得的石墨含量較純的自動鉛筆芯為實驗材料。
二磁場模擬
要利用抗磁性實現穩定的磁懸浮，要構造一種特殊的磁場結構，立方體磁鐵NS極交替排列，在磁鐵表面將形成一種類似正弦波的磁場分布，這樣抗磁物質會被限制在兩個峰之間形成的一個磁阱中。利用磁場模擬軟件，可以模擬出這種磁場的二維或三維分布[12]，模擬中磁鐵選邊長為5mm的立方體，這和實驗中用到的磁鐵參數一致。當立方體小磁鐵NS交替排列時，磁力線從N極出發回到相鄰的S極，在磁極表面附近能夠形成類似正弦波分布的磁場，這種磁場分布也被叫做Halbach磁場，該磁場可用于實現精確的磁懸浮位移平臺[4]。從模擬計算可以看到，這個磁阱的高度非常有限，在磁鐵表面約1-2mm，所以抗磁物質的懸浮高度非常有限。當然增加磁鐵的體積會增大磁阱的高度，但是這樣會降低磁場的梯度，使得磁場變化比較平坦，反而不利于抗磁物質的穩定懸浮。
三實驗結果
為了增大磁場，要盡量選用剩磁大的永磁體，經過多次嘗試，發現牌號為N52的釹鐵硼永磁是最佳選擇，如果牌號小一些就很難懸浮。鉛筆芯盡量選用比較細的自動鉛筆的筆芯，可選0.3-0.7mm粗細的。非常重要的一點是盡管大家都知道鉛筆芯是用石墨做的，但其中石墨的含量是差別很大的，大部分鉛筆芯中除了石墨，還有大量的黏土成分，這些黏土里面含有一定量的鐵元素，所以市面上買到的鉛筆芯基本不會懸浮，而是吸引。為了實現抗磁懸浮，可以選用樹脂材料和石墨合成的鉛筆芯，而且要石墨含量盡量高。實驗中選用了比較方便購買的日本派通牌自動鉛筆芯，小磁體選用了邊長5mm的40個小立方體。由于所選的磁鐵磁性較強，買來的磁鐵都是NSNS相互吸引成一直條。而排列時需要NS極向上，必須分開每一個小磁體然后再排列。具體做法可以先找一個比較薄的鐵皮盒子，然后從整條磁鐵的一頭側向用力掰一個小磁鐵下來，然后將該小磁鐵吸在鐵皮盒子上，這時能夠保證N或S極向上。然后再從整條磁鐵的另外一頭掰一個小磁鐵下來，和第一次吸上去的小磁鐵并排放置，兩個小磁鐵側邊吸在一起，而向上的磁極和第一個是相反的。依次類推，可以先排列成8-10個一條，然后再組裝成4×8或者5×8的陣列，這樣就能夠保證排列成NS極交錯且磁極向上的磁鐵陣列。磁懸浮時根據磁極面積大小，將鉛筆芯長度截取為不超過最長磁極的一半最好，磁鐵盡量保持水平放置，輕輕放置鉛筆芯，即可實現懸浮。如果鉛筆芯總是朝一個方向滑動，說明磁鐵放置的不夠水平，可調整磁鐵位置。懸浮的位置根據磁體面積大小，會有許多不同的位置，而且有的平行于磁鐵的邊沿，有的可能沿著對角線，另外鉛筆芯的長短對懸浮的狀態也有影響，太短和太長懸浮的狀態可能不一樣，當鉛筆芯太短時，會出現一端吸引，一端翹起的狀態。這個現象正好能解釋抗磁性物質被磁化后出現了NS極，在單個磁鐵的正中心磁場最強，所以被吸引住了，但只要換個位置還是能夠懸浮，這對理解磁化現象及磁場分布更有幫助。
四小結
通過選取剩磁較大的N52釹鐵硼永磁鐵來構造出一種特殊的磁場結構，利用磁場模擬軟件分析了該結構的磁場分布特性，該結構能夠在磁鐵表面形成一種類似正弦波的磁場分布。選取石墨含量較純的鉛筆芯，利用石墨的抗磁性，豎直方向斥力和重力平衡，水平方向借助磁場分布實現平衡，從而可以實現穩定的磁懸浮。
作者：陳鋼 韓英 沈凱 單位：浙江工業大學理學院應用物理系
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