居里溫度計,用溫度駕馭磁性
本文藉由改良式的居里溫度計,實際演示鐵磁性隨着溫度的升降,時而消失、時而恢復的有趣現象。
(原載:《科學月刊》,第38卷第8期)
在很深很深的地球中心,埋藏着一個困惑科學家很久的天大祕密——地磁。地磁就好像是地球中心的一塊大磁鐵,大磁鐵的南北極大致平行着地理的南北極,它所造成的磁場籠罩整個地球和附近的太空。但令人費解的是,地心肯定沒有這塊大磁鐵!
如果不使用指南針或測量磁場的儀器,人類的感官完全無法察覺地磁的存在。但是許多進行長途遷徙的生物,例如鴿子、龍蝦、海龜、鮭魚、蜜蜂以及候鳥,都能感受得到地磁,並且利用地磁導航,千里迢迢到達它們旅行的目的地。
世界各地所有具有磁性的東西,都會受到地磁微小磁力的影響。本身是一支針狀小磁鐵的指南針,只要不受其它力量的影響,並且能夠輕易轉動指向,就會被微弱但無所不在的地磁吸引。因爲地磁的南北極大致平行地理上的南北極,所以當指南針受到地磁吸引,指向地磁的南北極的時候,也就指出了地理上的北方。
在酷寒的極地上,擡頭仰望夜空,有時候可以看到瑰麗的極光,如同從太空垂下的巨大窗簾,寂靜地散發出柔和的光亮,非常壯觀。極光的成因也與地磁有關。從太陽噴發出來的高能帶電粒子(又稱爲太陽風),射向地球時,在太空中因爲受到籠罩整個地球的地磁磁場作用,會轉向地磁的南北極,進而撞擊極地高空的大氣分子和原子,受到撞擊的大氣分子和原子於是發出亮光,形成極光。
承載歷史的沉積物
具有鐵磁性的東西,它的溫度高於居里溫度時,鐵磁性就會消失;當它的溫度下降之後,才又恢復鐵磁性。地球內部的熾熱岩漿,會從海底所謂中洋脊的地方升到地球表面,持續不斷形成新的海洋地殼。在形成海洋地殼的冷卻過程中,原本因爲高溫而消失磁性的礦物又恢復了磁性,這些礦物的磁性方向,於是記錄着當時地磁的方向。科學家們發現,在不同時期形成並向中洋脊兩側擴張的海洋地殼中,磁性礦物的磁性方向不同,顯示地磁的南北極過去曾多次反轉。
深海沉積物殊途同歸,也顯示同樣的結論:地磁的南北極過去曾多次反轉對調。具有磁性的沉積物,就像一根根指南針,在海水中緩慢下沉時,會指着地磁的南北極,沉到海底後,再被後來不斷沉積的沉積物迭壓固定。科學家發現,先後沉積在上下層的沉積物,它們的磁性方向也因地磁南北極的翻轉,發生反轉對調的現象。
地球中心稱爲地核,由固態的內核和液態的外核構成,溫度近乎太陽表面溫度,實在太高,不可能有一塊具有磁性的大磁鐵。地磁生成的原因和地磁南北極對調的現象,至今仍是尚未完全解開的謎團。最新研究認爲:液態外核的複雜對流,造成自激發電機的效果,是形成地磁的關鍵。科學家根據這樣的理論,利用超級計算機進行仿真計算,的確可以模擬出,地磁強度和地磁南北極不定週期對調的現象。
本文介紹的這項實驗,以同樣具有鐵磁性的鎳爲例,演示超過居里溫度時,鐵磁性消失,溫度下降之後,又恢復鐵磁性的現象。
圖一:經過改良設計的居里溫度計完成圖。圖中所標示的一至六,表示文中製作方法的(一)至(六)步驟,讀者可以對照閱讀。
注:原文爲繁體,本站發佈時未轉譯,但爲方便讀者閱讀,直接將繁體轉爲簡體。
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周鑑恆博士專欄
本文藉由改良式的居里溫度計,實際演示鐵磁性隨着溫度的升降,時而消失、時而恢復的有趣現象。
製作方法與步驟
本次實驗所需要的材料,包括白楊木、巴沙木、鎳片、銣鐵硼磁鐵、銅片、鋁片、縫衣針、大頭針、載玻片與AB膠等。實驗機具的完成圖如圖一,製作方法與步驟說明如下:
(一)取出一根長約40公分、寬約1公分、厚約0.5釐米的白楊木,在其中心鑽一小孔,整支白楊木杆用較大的鑽頭鑽孔,儘可能鏤空,並略微削薄,以減輕其重量,同時保持兩側平衡;此白楊木杆兩端也鑽若干小孔。
(二)剪出兩片約2.2×2.2平方公分的鎳片,每張鎳片的兩側用美工刀割出兩個縫;再剪出兩條長約8公分、寬約0.5公分的銅片。銅片一端穿過鎳片兩側的兩縫,並於外側折迭,以類似編織的方式(先從一端縫中往上穿出,再朝下從另一端縫中穿出)將鎳片固定在銅片兩端(圖二)。銅片另一端也鑽有若干小孔,用細銅絲穿過銅片上的小孔和白楊木上的小孔,以捆綁的方式把連着鎳片的銅片固定在白楊木杆兩端。必要時捆綁用的細銅絲上塗上AB膠,加強固定。
圖二:在本實驗中,不需要麻煩的焊接工具,讀者以類似編織的方式,即可將鎳片固定在銅片兩端。
(三)將縫衣針垂直穿過白楊木杆的中心孔,確認垂直之後,以AB膠加以固定。另外,在距離縫衣針約10公分處,用AB膠垂直固定一根大頭針。再利用白楊木及載玻片製成一個軸承,主要構造如圖三所示。
圖三:白楊木及載玻片制的軸承。最下方爲一片載玻片,載玻片上方有片薄白楊木,其中有一小孔,白楊木杆的縫衣針置入小孔,縫衣針的上端,再穿過另一片薄白楊木的小孔,縫衣針針尖頂住載玻片。
軸承的最下方爲一片載玻片,載玻片上方安裝一片中間有一小孔的薄白楊木片。先將白楊木杆中心的縫衣針,置入白楊木薄片中的小孔,白楊木杆中心的縫衣針的上端,再用另一片中間有一小孔的薄白楊木片侷限住。於是,上下兩片白楊木薄片的小孔框住縫衣針的上下端,縫衣針下方的針尖則頂住載玻片。
本文藉由改良式的居里溫度計,實際演示鐵磁性隨着溫度的升降,時而消失、時而恢復的有趣現象。
(四)製作桿狀飛輪:先將一根長的縫衣針用AB膠固定在長6公分的白楊木上,作爲轉軸,距離縫衣針約3公分處,再用AB膠垂直固定一根大頭針,作爲曲軸。另外,可用其它白楊木裝飾桿狀飛輪的兩端(圖四)。
圖四:桿狀飛輪以縫衣針作爲轉軸,大頭針作爲曲軸,白楊木飾以紅色硬紙。桿狀飛輪的縫衣針轉軸置軸承中,縫衣針針尖頂住載玻片。
(五)爲了將桿狀飛輪和兩端有鎳片的白楊木杆,安裝在適當的位置,用白楊木製一底座,底座上黏有適當高度的支架,用來安裝兩個軸承,使桿狀飛輪和兩端有鎳片的白楊木杆在同一高度。長度約20公分巴沙木的兩端鑽兩小孔,作爲連桿,兩小孔分別套住桿狀飛輪的曲軸和白楊木杆的大頭針(圖五)
圖五:白楊木製底座上黏有適當高度的支架,安裝兩個軸承,桿狀飛輪和兩端有鎳片的白楊木杆在同一高度。連桿兩端的兩小孔,分別套住桿狀飛輪的曲軸和白楊木杆上的大頭針。
(六)座上另外黏有適當高度的支架安裝兩個磁鐵,以便吸引白楊木杆兩端的鎳片。
本文藉由改良式的居里溫度計,實際演示鐵磁性隨着溫度的升降,時而消失、時而恢復的有趣現象。
酒精加熱,飛輪往復作動
輕輕轉動白楊木製成的桿狀飛輪,使兩側鎳片最靠近磁鐵的距離大致相同。各別在兩側鎳片最靠近磁鐵的位置,放兩盞酒精燈,點燃酒精燈,酒精燈的火焰越旺越好。再持續轉動桿狀飛輪,使兩側鎳片輪流受到酒精燈火加熱,再放手讓整個機構自行運轉,兩側鎳片因爲間歇受到酒精燈加熱,時而喪失鐵磁性,時而恢復鐵磁性,不斷受到磁鐵間歇性的磁力,產生擺動,進而帶動連桿往復推動桿狀飛輪(圖六)。
圖六:兩側鎳片因間歇受酒精燈加熱,受磁鐵間歇性的磁力,產生擺動,進而帶動連桿往復推動桿狀飛輪。
拿掉其中一塊磁鐵和酒精燈,用僅存的一塊磁鐵和酒精燈,整個機構仍能持續運轉(圖七)。用兩組磁鐵和酒精燈,只爲確保機構隨便就可作動。
圖七:即便移除任一側的磁鐵和酒精燈,僅存的一塊磁鐵和酒精燈,仍能驅動整個機構持續運轉。
創意與原理
由於過去這項實驗的各種設計,實驗者常須小心翼翼地調整才能勉強作動,而磁鐵與火焰的相對位置也不易妥當安排,磁鐵難免被意外加熱,影響磁力和儀器壽命。這項創作的着眼點,在於裝置的可靠、耐用,和用相當新奇的方式,突顯出鐵磁性隨溫度升降而消失、恢復的現象。利用最近火焰的鋁片,經鋁片內傳導和周圍空氣對流散熱,及利用鋁片和磁鐵之的空氣和木片絕熱,使磁鐵受到充分隔熱保護,避免高溫破壞磁鐵的磁力。
此外,利用兩鎳片的往復運動,經連桿推動飛輪旋轉,一方面突顯鎳片因酒精燈加熱,失去與磁鐵之間的引力,冷卻後又恢復引力的現象;另一方面,旋轉的飛輪,經連桿簡單控制了鎳片擺動的範圍,方便酒精燈加熱,可以非常簡單且十分可靠的進行實驗。從實際操作中發現,鎳片溫度升降愈迅速,儀具運轉得愈快,所以薄一點的鎳片(厚度大約0.3釐米以下)效果較佳;因高溫的鎳片很容易在空氣中冷卻而恢復鐵磁性,鎳片降溫不是癥結所在,充分利用酒精燈火焰迅速加熱鎳片,有助於提高飛輪轉速。(本文圖片皆由作者提供)
責編:史孝武
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