居里温度计，用温度驾驭磁性

本文藉由改良式的居里温度计，实际演示铁磁性随着温度的升降，时而消失、时而恢复的有趣现象。

（原载：《科学月刊》，第38卷第8期）

在很深很深的地球中心，埋藏着一个困惑科学家很久的天大秘密——地磁。地磁就好像是地球中心的一块大磁铁，大磁铁的南北极大致平行着地理的南北极，它所造成的磁场笼罩整个地球和附近的太空。但令人费解的是，地心肯定没有这块大磁铁！

如果不使用指南针或测量磁场的仪器，人类的感官完全无法察觉地磁的存在。但是许多进行长途迁徙的生物，例如鸽子、龙虾、海龟、鲑鱼、蜜蜂以及候鸟，都能感受得到地磁，并且利用地磁导航，千里迢迢到达它们旅行的目的地。

世界各地所有具有磁性的东西，都会受到地磁微小磁力的影响。本身是一支针状小磁铁的指南针，只要不受其它力量的影响，并且能够轻易转动指向，就会被微弱但无所不在的地磁吸引。因为地磁的南北极大致平行地理上的南北极，所以当指南针受到地磁吸引，指向地磁的南北极的时候，也就指出了地理上的北方。

在酷寒的极地上，抬头仰望夜空，有时候可以看到瑰丽的极光，如同从太空垂下的巨大窗帘，寂静地散发出柔和的光亮，非常壮观。极光的成因也与地磁有关。从太阳喷发出来的高能带电粒子（又称为太阳风），射向地球时，在太空中因为受到笼罩整个地球的地磁磁场作用，会转向地磁的南北极，进而撞击极地高空的大气分子和原子，受到撞击的大气分子和原子于是发出亮光，形成极光。

承载历史的沉积物

具有铁磁性的东西，它的温度高于居里温度时，铁磁性就会消失；当它的温度下降之后，才又恢复铁磁性。地球内部的炽热岩浆，会从海底所谓中洋脊的地方升到地球表面，持续不断形成新的海洋地壳。在形成海洋地壳的冷却过程中，原本因为高温而消失磁性的矿物又恢复了磁性，这些矿物的磁性方向，于是记录着当时地磁的方向。科学家们发现，在不同时期形成并向中洋脊两侧扩张的海洋地壳中，磁性矿物的磁性方向不同，显示地磁的南北极过去曾多次反转。

深海沉积物殊途同归，也显示同样的结论：地磁的南北极过去曾多次反转对调。具有磁性的沉积物，就像一根根指南针，在海水中缓慢下沉时，会指着地磁的南北极，沉到海底后，再被后来不断沉积的沉积物迭压固定。科学家发现，先后沉积在上下层的沉积物，它们的磁性方向也因地磁南北极的翻转，发生反转对调的现象。

地球中心称为地核，由固态的内核和液态的外核构成，温度近乎太阳表面温度，实在太高，不可能有一块具有磁性的大磁铁。地磁生成的原因和地磁南北极对调的现象，至今仍是尚未完全解开的谜团。最新研究认为：液态外核的复杂对流，造成自激发电机的效果，是形成地磁的关键。科学家根据这样的理论，利用超级计算机进行仿真计算，的确可以模拟出，地磁强度和地磁南北极不定周期对调的现象。

本文介绍的这项实验，以同样具有铁磁性的镍为例，演示超过居里温度时，铁磁性消失，温度下降之后，又恢复铁磁性的现象。

图一：经过改良设计的居里温度计完成图。图中所标示的一至六，表示文中制作方法的（一）至（六）步骤，读者可以对照阅读。

注：原文为繁体，本站发布时未转译，但为方便读者阅读，直接将繁体转为简体。

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周鉴恒博士专栏

本文藉由改良式的居里温度计，实际演示铁磁性随着温度的升降，时而消失、时而恢复的有趣现象。

制作方法与步骤

本次实验所需要的材料，包括白杨木、巴沙木、镍片、铷铁硼磁铁、铜片、铝片、缝衣针、大头针、载玻片与AB胶等。实验机具的完成图如图一，制作方法与步骤说明如下：

（一）取出一根长约40公分、宽约1公分、厚约0.5厘米的白杨木，在其中心钻一小孔，整支白杨木杆用较大的钻头钻孔，尽可能镂空，并略微削薄，以减轻其重量，同时保持两侧平衡；此白杨木杆两端也钻若干小孔。

（二）剪出两片约2.2×2.2平方公分的镍片，每张镍片的两侧用美工刀割出两个缝；再剪出两条长约8公分、宽约0.5公分的铜片。铜片一端穿过镍片两侧的两缝，并于外侧折迭，以类似编织的方式（先从一端缝中往上穿出，再朝下从另一端缝中穿出）将镍片固定在铜片两端（图二）。铜片另一端也钻有若干小孔，用细铜丝穿过铜片上的小孔和白杨木上的小孔，以捆绑的方式把连着镍片的铜片固定在白杨木杆两端。必要时捆绑用的细铜丝上涂上AB胶，加强固定。

图二：在本实验中，不需要麻烦的焊接工具，读者以类似编织的方式，即可将镍片固定在铜片两端。

（三）将缝衣针垂直穿过白杨木杆的中心孔，确认垂直之后，以AB胶加以固定。另外，在距离缝衣针约10公分处，用AB胶垂直固定一根大头针。再利用白杨木及载玻片制成一个轴承，主要构造如图三所示。

图三：白杨木及载玻片制的轴承。最下方为一片载玻片，载玻片上方有片薄白杨木，其中有一小孔，白杨木杆的缝衣针置入小孔，缝衣针的上端，再穿过另一片薄白杨木的小孔，缝衣针针尖顶住载玻片。

轴承的最下方为一片载玻片，载玻片上方安装一片中间有一小孔的薄白杨木片。先将白杨木杆中心的缝衣针，置入白杨木薄片中的小孔，白杨木杆中心的缝衣针的上端，再用另一片中间有一小孔的薄白杨木片局限住。于是，上下两片白杨木薄片的小孔框住缝衣针的上下端，缝衣针下方的针尖则顶住载玻片。

本文藉由改良式的居里温度计，实际演示铁磁性随着温度的升降，时而消失、时而恢复的有趣现象。

（四）制作杆状飞轮：先将一根长的缝衣针用AB胶固定在长6公分的白杨木上，作为转轴，距离缝衣针约3公分处，再用AB胶垂直固定一根大头针，作为曲轴。另外，可用其它白杨木装饰杆状飞轮的两端（图四）。

图四：杆状飞轮以缝衣针作为转轴，大头针作为曲轴，白杨木饰以红色硬纸。杆状飞轮的缝衣针转轴置轴承中，缝衣针针尖顶住载玻片。

（五）为了将杆状飞轮和两端有镍片的白杨木杆，安装在适当的位置，用白杨木制一底座，底座上黏有适当高度的支架，用来安装两个轴承，使杆状飞轮和两端有镍片的白杨木杆在同一高度。长度约20公分巴沙木的两端钻两小孔，作为连杆，两小孔分别套住杆状飞轮的曲轴和白杨木杆的大头针（图五）

图五：白杨木制底座上黏有适当高度的支架，安装两个轴承，杆状飞轮和两端有镍片的白杨木杆在同一高度。连杆两端的两小孔，分别套住杆状飞轮的曲轴和白杨木杆上的大头针。

（六）座上另外黏有适当高度的支架安装两个磁铁，以便吸引白杨木杆两端的镍片。

本文藉由改良式的居里温度计，实际演示铁磁性随着温度的升降，时而消失、时而恢复的有趣现象。

酒精加热，飞轮往复作动

轻轻转动白杨木制成的杆状飞轮，使两侧镍片最靠近磁铁的距离大致相同。各别在两侧镍片最靠近磁铁的位置，放两盏酒精灯，点燃酒精灯，酒精灯的火焰越旺越好。再持续转动杆状飞轮，使两侧镍片轮流受到酒精灯火加热，再放手让整个机构自行运转，两侧镍片因为间歇受到酒精灯加热，时而丧失铁磁性，时而恢复铁磁性，不断受到磁铁间歇性的磁力，产生摆动，进而带动连杆往复推动杆状飞轮（图六）。

图六：两侧镍片因间歇受酒精灯加热，受磁铁间歇性的磁力，产生摆动，进而带动连杆往复推动杆状飞轮。

拿掉其中一块磁铁和酒精灯，用仅存的一块磁铁和酒精灯，整个机构仍能持续运转（图七）。用两组磁铁和酒精灯，只为确保机构随便就可作动。

图七：即便移除任一侧的磁铁和酒精灯，仅存的一块磁铁和酒精灯，仍能驱动整个机构持续运转。

创意与原理

由于过去这项实验的各种设计，实验者常须小心翼翼地调整才能勉强作动，而磁铁与火焰的相对位置也不易妥当安排，磁铁难免被意外加热，影响磁力和仪器寿命。这项创作的着眼点，在于装置的可靠、耐用，和用相当新奇的方式，突显出铁磁性随温度升降而消失、恢复的现象。利用最近火焰的铝片，经铝片内传导和周围空气对流散热，及利用铝片和磁铁之的空气和木片绝热，使磁铁受到充分隔热保护，避免高温破坏磁铁的磁力。

此外，利用两镍片的往复运动，经连杆推动飞轮旋转，一方面突显镍片因酒精灯加热，失去与磁铁之间的引力，冷却后又恢复引力的现象；另一方面，旋转的飞轮，经连杆简单控制了镍片摆动的范围，方便酒精灯加热，可以非常简单且十分可靠的进行实验。从实际操作中发现，镍片温度升降愈迅速，仪具运转得愈快，所以薄一点的镍片（厚度大约0.3厘米以下）效果较佳；因高温的镍片很容易在空气中冷却而恢复铁磁性，镍片降温不是症结所在，充分利用酒精灯火焰迅速加热镍片，有助于提高飞轮转速。（本文图片皆由作者提供）

责编：史孝武