國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

如影隨形的磁鐵

若即若離,如影隨形的趣味磁鐵
器材:強力磁鐵、磁鐵、玩具車(塑膠製)

操作過程與現象:

不同磁鐵之間不是吸引就是排斥,不會同時又吸引又排斥以下二個實驗利用巧妙的設計,可以呈現若即若離,如影隨形的有趣現象。

實驗一

圖一是將磁鐵以膠帶直立的黏貼在玩具車(塑膠製)的車頭固定,圖二是包裹了二種磁鐵的紙團將紙團靠近玩具車,玩具車很快被紙團內的磁鐵吸引(如圖三),而且可以被紙團拖動但是,玩具車瞬間離開了紙團,而且紙團一靠近,玩具車就遠離(如圖四)。再一瞬間,玩具車又被吸引,拖動一段距離又再被推開,反覆的吸引、排斥、吸引、排斥……。這是怎麼回事呢?

實驗二

圖五是將一個強力磁鐵以膠帶橫向的平貼在玩具車的車尾的底部,然後將包裹了強力磁鐵的紙團靠近(註:與實驗一的紙團不一樣),結果玩具車被紙團內的磁鐵吸引(如圖六),奇妙的是:玩具車雖然被吸引,但是不會接觸到紙團,而是保持一小段距離(如圖七)。如果前後移動紙團,玩具車也跟著移動,但是就是不肯和紙團接觸,一直保持一段距離喔!這是怎麼回事呢?

觀賞實驗影片(14.3M)

原理:

實驗一的原理較為簡易,為二個磁鐵之間的排斥以及吸引,但是必須為互相垂直。圖八、圖九的顏色代表磁極方向,以藍色代表黏貼在玩具車上的磁鐵,手拿紅色磁鐵。當如同圖八的方向,也就是紅色磁鐵的右邊翹起來,則由於紅色面(不同磁極)朝向藍色磁鐵,異極就會相吸。接著將紅色磁鐵的左邊翹起來,如圖九;則紅色磁鐵的另一極朝向藍色磁鐵,由於相同磁極排斥,就會被推開了。

上述的操作,由於二個磁鐵一個放直的,一個放平的(互相垂直),因此改變很小的角度就可以控制吸引或排斥。如果二個磁鐵互相平行,則改變吸引、排斥所需要的角度至少超過90度,就比較不容易操作了。

  實驗二的裝置比較複雜,而且需要選取適當磁力的磁鐵,否則無法呈現保持距離的現象總計共需要二個大的強力磁鐵(直徑1.5公分)、六個小的強力磁鐵(直徑0.5公分)。裝置與原理如圖十,將一個大磁鐵(藍色)黏貼在玩具車,紙團裡的磁鐵以六個小磁鐵吸在大磁鐵的周圍,由於小磁鐵之間會互相排斥,所以小磁鐵會自然的等距離分開。因此排列上會形成二個大磁鐵之間為異極(相吸),小磁鐵與左邊大磁鐵則為同極(相斥)。

一開始二個大磁鐵之間的吸引力大於小磁鐵產生的排斥力,所以左邊的大磁鐵(玩具車)會被吸引過來。但是靠近之後,小磁鐵產生的排斥力因距離縮短而變大,因而將左邊大磁鐵拒於一定距離。而當距離增加(互相遠離)時,二個大磁鐵之間的吸引力又可讓距離保持固定。簡言之,保持距離所需的「吸引力」由大磁鐵提供,「排斥力」則由小磁鐵提供。

雖然左邊的大磁鐵(玩具車)被吸引過來之後,與小磁鐵之間的排斥力會變大,但是二個大磁鐵之間的距離也同時縮小,吸引力不是也變大嗎?此問題須要考慮磁鐵的距離與磁力變化的關係。磁力大小與磁鐵間的距離平方成反比,參見圖十;大磁鐵之間的距離由L1縮短為L2,與小磁鐵之間的距離由l1縮短為l2,以變化的比率」而言,l1/l2大於L1/L2。亦即當左邊大磁鐵靠近時(此時大磁鐵之間的吸引力較大),小磁鐵提供的排斥力因「距離接近而增加的程度」大於大磁鐵之間的吸引力增加,因此接近到某一程度時,排斥力大於吸引力就保持距離了。同理,如果遠離時,小磁鐵提供的排斥力因「距離增加而減少的程度」也大於大磁鐵之間的吸引力變化,因此遠離某一程度時,排斥力小於吸引力,就會因吸引而保持距離。另一方面,理論上圖十的藍色磁鐵不可能和右邊的小磁鐵接觸到,因為距離如果為零,則排斥力無限大。

 

叮嚀的話:

1.實驗一使用一般磁鐵即可,但是實驗二必須使用強力磁鐵,而且大小有一定的需求,不是任何尺寸都可以成功。版主的經驗是小磁鐵的直徑大約為大磁鐵的三分之一左右,而且厚度(高度)儘量都一樣。

2.實際操作時,實驗一的磁鐵可以不用紙團包起來,但是實驗二建議還是用紙團包起來(用紙包成方形,再用膠帶黏起來),以避免操作時磁鐵移位造成磁力不均衡,也減少移位後再次排列的麻煩。

3.實驗二在移動磁鐵時,注意與玩具車的磁鐵的高度必須一致,此點非常重要,否則會由於高度不同,玩具車的磁鐵被小磁鐵一推(排斥),加上大磁鐵之間吸引力大,玩具車會速迅「爬上(放太低)」或「鑽入(放太高)」大磁鐵而吸住喔!

4.英國的Grand Illusions公司曾發展實驗二為科學玩具,售價約台幣一千元,請見參考資料1與2。該玩具只用磁鐵,沒有用到玩具車,自行製作相當困難(磁鐵不容易在桌上滑動),因此版主改為使用玩具車。

5.在教學上,可以指導國中以上學生討論與實驗:(1)實驗一中的磁鐵為什麼要互相垂直?如果改用長條形磁鐵,可行嗎?操作上有何差別?(2)實驗二中的磁鐵的吸引力與排斥力的關係為何?(3)實驗二為什麼用到六個小磁鐵?不能只用一個小磁鐵嗎?(4)以大小都相同的強力磁鐵製作實驗二的操作,也可以成功嗎?為什麼?如果要成功,磁鐵的大小的比率如何才能成功?

參考資料:

1. Grand Illusions Ltdhttp://www.grand-illusions.com/acatalog/Inverter-Magnet-610.html

2. YouTube影片

3. Magnetic Balancehttp://web2.utc.edu/~pbs273/PHYS%20184/Magnetic%20Balance.pdf