铁磁性是一种神奇的性质。对于一个偌大的元素周期表来说,拥有铁磁性的常见元素不过铁Fe、钴Co、镍Ni三种。可是,它的存在最不容被忽视,地磁场、电磁感应等均是生活中的重要应用,指南针更是自古以来我国人民利用磁性制成的重要发明。而在物理学中,磁性也是非常难以研究的性质,由于磁性与电子的自旋、原子的磁矩等关系颇深,还有顺磁性、抗磁性、反铁磁性等其他重要性质,在磁性器件的制造中也有广泛应用。
于是乎,我们中科院物理所专门针对磁性物理的研究设立了“磁学国家重点实验室”。其实,这期我们要展示的实验就是“磁性”的神奇。请看实验过程。实验器材:铁架台,粗镍丝(可从某宝购买),细铜丝,蜡烛,打火器,磁铁,锯,钳子,所标杯。这个实验的最核心材料也是最难寻找到的材料就是“镍丝”。所以首先,我们要对镍进行处理,从粗镍丝那里剪一个口并沿着剪口锯下一小段镍。
就像这样,我们还可以架在所标杯上锯(看到瑟瑟发抖的所标杯了吗)。总之,在使用锯的时候注意安全,要按照规范的操作进行。在获得了那一小段镍之后,我们用钳子把它弯成一个小圈。现在,我们检测一下镍的磁性,尝试用磁铁吸引刚才做好的镍环。显然,镍环被磁铁吸引了起来。这个过程中,我们还可以发现磁铁对镍的吸引力比铁要小。下面,我们把细铜线剪下一段并绑在镍环上,如下图所示。
铜线的另一端用于绑在铁架台上,铜线的长度应适应铁架台,固定镍环的高度应根据蜡烛的高度调整。镍环固定完成后,在铁架台的另一端放上磁铁并在镍环下面放上蜡烛备用。在磁铁的引力作用下,镍环铜线撑在铁架台上保持平衡。实验的主体结构长这样:下面,是最关键的一步——点燃蜡烛!然后……嗯,没有然后了,等着吧。1s 2s 3s 30s……1min 2min咦,好像哪里不一样:大概等了两三分钟后,镍环竟然落下来了!
除了蜡烛点燃外没有任何操作,镍环竟然自己主动地落下来了!下来了!来了!了!之后,小编把火撤掉并重现把镍环放在磁铁附近,它又会重新被磁铁吸引起来!稳定地吸引起来!下面我们重做一下实验,重温一下这个完整的过程。原理解说:居里点(Curie point)又作居里温度点(Tc)或磁性转变点,是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度,是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。
磁铁对拥有铁磁性的物质具有强烈吸引力,而对顺磁性物质的引力则肉眼不可见。上述实验中“镍”的居里点为627K(约354℃),低于蜡烛火焰外焰的温度(约600℃)。因此点燃蜡烛之前,这个体系可以由于磁吸引力的存在平衡,镍环不会下落。但一旦对镍环进行加热,镍环的温度升高至高于其居里点,镍环就会失去磁性,引力随之消失,镍环下落。
下落后的镍环脱离火焰,温度降低,磁性可以重新恢复,因此把它重新扶起来后,体系依旧可以平衡。描述这个过程更准确的公式为体系温度T超过居里温度Tc时,磁化率会随温度的升高而下降,这就是居里-外斯定律,以两位伟大的法国物理学家冠名。如果我们控制更加精确,还阔以做成“永动机”的样子,镍环在“加热失去磁性”和“降温重现磁性”之间来回摇摆,做成了“居里点单摆”(永动你妹!没看见蜡烛在那烧么)。
另一种更常见的材料铁则没有那么幸运,显然它的磁性更强,但它的居里温度高达1043K,看来,除非你有个酒精喷灯,不然就不用尝试用铁做居里点单摆了。