磁悬浮演示实验

材料物理6-2组实验报告

组员：张安玉、高峰、王忠鹏、单飞、王忠鹏、蔡安棋

材料物理课接近尾声了，对这门课最大的感触就是演示实验。在这个活动里，一方面可以加深拓展对于某一方面知识的理解，一方面考验我们的实践能力。

1.永磁体磁悬浮

【实验目的】

利用磁性排斥力达到漂浮物体的目的。

【实验原理】

观点一：两块磁铁异性相吸，同性相斥，自然就能悬浮起来了。

观点二：不旋转的话不能稳定的飘在空中。但是正如一个旋转的陀螺不会倒一样，旋转的磁陀螺就能够稳定地飘在大磁铁上空了。物理学家说，陀螺这种不会倒的性质是由于角动量守恒。

根据恩绍定律证明了，静电力，静磁力，引力（牛顿定律所描述的引力）的任意组合是不能让一个物体处于稳定平衡状态的。

什么是稳定平衡状态？一个小球处于碗底就是稳定平衡状态，即无论你朝哪个方向轻轻地推它，它都能回到碗底，物理学家说，这是因为小球的重力势能在碗底有一个最小值。物体喜欢呆在势能最低的地方，俗话说，水往低处流。有稳定的平衡那就有不稳定平衡。什么是不稳定平衡呢？把一个小球放在一个大球顶上就是一个例子。这种情况下，你稍微对小球吹一口气它就出去，回不来了。物理学家说，这是因为小球的重力势能在球顶上是最大值，它呆在那里不安分。除了这两种情况外，还有一种比较特殊的状态。如果我们把一个小球放在下面这个马鞍形的体育馆顶上的正中央，会发生什么情况呢？情况是我们左右方向推这个小球它还能回到中央来，前后推它则回不来了。物理学家说，这个小球的重力势能有一个“鞍点”，即它在一个方向是稳定平衡，另一个方向是不稳定平衡。

一百六十多年前，恩绍先生正是证明了所有静电场，静磁场和引力场对一个带电体或者一块磁铁所产生的势能都是这种马鞍形的。即靠这三种力，无法将一块小磁铁悬浮在空中，它总会朝某一个方向溜走。

旋转的陀螺由于角动量守恒，的确能够保持直立不倒，但是光靠这一点怎么能够让它在一个马鞍状的势能里保持稳定呢？试想我们在那个马鞍形的屋顶上放一个旋转的陀螺，你往

前后推它，它还不是照样一边旋转着一边溜出去吗？可能唯一比小球好一点的地方是小球是连滚带爬，旋转的陀螺始终昂首直立。但结果都一样，它们都溜出屋顶回不来了。磁悬浮陀螺的稳定性一定有它更深刻的原因。悬浮陀螺稳定性问题的完整正确的解释最早是在1996 年左右由英国著名理论物理学家Michael Berry 给出的。

Berry 先生证明，旋转的陀螺通过某种神奇的作用，把原本是一个马鞍状的势能改变成了碗状的势能。恩绍定律证明的情况是，如果你能保持一个小磁铁始终朝一个方向，那么它所受的磁场势能是鞍形的。我们都有这种经验，把一块小磁铁握在指端，同性靠近另一块桌面上固定的大磁铁，我们会感受到小磁铁很想溜到一边去。在这里，这个三维的鞍形势能在竖直方向上是稳定的，水平方向是不稳定的。但是，陀螺在旋转的时候，却能把水平方向也变成稳定的。这是因为，小磁铁的角动量，磁场和大磁铁的磁场相互作用，当小磁铁试图向右水平移动时，它的转轴不再保持直立，而是跟着当地的磁力线稍稍向右倾斜。同样，当它试图向左水平移动时，它的转轴跟着当地的磁力线稍稍向左倾斜（见下面的示意图）。很神奇的是，这恰恰与观点二相反。

观点二认为陀螺由于角动量守恒，始终直立以至稳定悬浮；而实际情况是，小陀螺能够聪明地跟随所处地的磁力线的方向调整自己的转轴方向，而使自己稳定悬浮。

正因为陀螺不是始终指向同一个方向，恩绍定律就不再适用了。这种情况下，悬浮的陀螺磁铁所感受到的势能的确是一个碗状而不是马鞍状的（见下图），虽然是个非常浅非常浅的碗，陀螺在这个碗底也能保持稳定平衡，足以对抗空气扰动，你向它吹气也不能轻易把它吹走。物理学家把这个碗叫做势阱。

Berry 先生的计算表明，这个碗状的势阱出现在一块磁铁上方非常小的一个区域内（如果磁铁底座的直径是 6 厘米，这个平衡区间在 3 到 3.8 厘米之间），所以悬浮陀螺的重量必须调整得恰到好处才能在这个区间里悬浮。太轻了或太重，悬浮陀螺都不能在这个区间里平衡。

【实验仪器】

磁性陀螺、磁性底盘（由壳体和永磁体构成）。

【实验内容】

通过手指发力转动使陀螺先在永磁体上转动起来，然后慢慢抬起塑料板，使其漂浮在空中。

【实验现象】