owen 發問時間: 科學其他:科學 · 1 0 年前

鐵和頭髮摩擦生磁,製作指北針

Discovey Channel 荒野求生密技 裡面有教我們一段製作指南針的方法,就是用一段原本不帶磁性的鐵絲,在自己的頭髮上摩擦,結果鐵絲帶了磁性,放在湖面上,底下墊一片葉子(防止鐵接觸到水),於是鐵就自動指向南北方向了,成了一個自製的指北針。

我只有聽過絕緣體摩擦會生電,卻重來沒有聽過鐵可以和頭髮摩擦而帶有磁性,這大概是大學電磁學才會教到的部份,可以請大學程度以上物理高手解釋一下嗎??^^" 不要全部用算式說明(我們才剛上微積分而已= ="-我高三)

2 個解答

評分
  • 1 0 年前
    最佳解答

    沒看過的人可以到《Man vs Wild: Mexico Water Compass》觀看。

    片中主持人拿鐵線在頭髮上摩擦,再放到漂在水面的葉片上當指南針:

    圖片參考:http://link.photo.pchome.com.tw/s08/cheongsou/2/12...

    『鐵和頭髮摩擦會生磁』?!

    你可以回憶一下老師教過的磁化 / 消磁方法 [註1]。而我相信應該沒有人的科學老師曾這樣教。但這一說法卻一直廣泛流傳著,甚至連美軍編製的《美軍生存手冊》(U.S. Army Survival Manual FM 21-76)中都有記載:

    MAKING IMPROVISED COMPASSES

    ...You can magnetize or polarize the metal by slowly stroking it in one direction on a piece of silk or carefully through your hair using deliberate strokes...

    製作簡易指南針

    ...在絲絹或頭髮上慢慢地以同一方向摩擦可以磁化它...

    既然連美軍編的書都這樣教,那肯定錯不了,是吧? Well...那也未必。

    這裡有一篇《Improvised Compass by Rob Bicevskis》,作者花了三頁的篇幅,用實驗來証明這個方法是錯的。

    他從市面上買來 8 種針狀鐵製品作測試,比較摩擦頭髮前後鐵針偏轉能力的差異。他的結論是:『摩擦頭髮』不會有作用;看來好像有作用,是因為鐵針未摩擦前原本已經帶有磁性。

    ( 我沒有要貼或翻譯這篇文章的打算,故只描述重點結果,但建議有興趣的還是花點時間閱讀。 )

    他的實驗雖然已經算很嚴謹,但用鐵針偏轉來比較,不是一個很好的定量標準。我的專長是做磁性測量,故我簡單地重複這個實驗,但改直接用磁量計測量出實驗前後磁化程度的改變。

    我挑選了 4 種常見的鐵製品,全部都可以在百貨用品店買到:

    圖片參考:http://link.photo.pchome.com.tw/s08/cheongsou/2/12...

    (1) 粗鐵線 (2) 切斷一半的髮夾 (3) 縫衣針 (4) 細鐵線

    ( 因為皆為細長型,故以下統稱為"鐵針" )

    實驗是以 fluxgate 測量鐵針兩端的磁場強度,而測量的條件分別為:

    (A) 原來的磁場強度。

    (B) 加熱到居里溫度以上來消磁,且為了避免冷卻時地磁又把它磁化,故鐵針是以垂直於地磁的方向平放 [註2]。

    (C) 鐵針摩擦頭髮,而且過程中鐵針會順著地磁方向。

    (D) 鐵針摩擦頭髮,但與地磁方向相反。

    (E) 直接用另一塊磁鐵來磁化鐵針。

    實驗結果如下 ( 兩直行是鐵針兩端量到的磁場,單位為高斯 ):

    圖片參考:http://link.photo.pchome.com.tw/s08/cheongsou/2/12...

    ( 一般磁場大小的概念請見 [註3] )

    當然我的實驗量測很粗糙,但已經足以說明問題。從數據中可以發現:

    1) 以消磁後的數值作用基準 [註4] 可以發現,除了 3 號的縫衣針外,其他樣品買來時都早已帶有磁性 ( 髮夾原本的磁場甚至比用磁鐵磁化後還要強 )。跟上面實驗的情形相似 (他發現 8 種產品中只有一種完全沒有磁性)。

    故沒有先消磁就做這個實驗,會以為摩擦頭髮真的有效。

    2) 儘管 3 號縫衣針的數據顯示摩擦頭髮完全沒有變化,但 4 號的細鐵線卻很清楚地說明摩擦頭髮是有作用的,只是效果很微弱 [註5]。

    說到這裡要先補充一點磁性理論:

    鐵磁性 (ferromagnetic) 的物質內部有很多微小的磁矩 ( 你可以想像成很多小磁鐵 ),當這些小磁鐵排列方向一致時,磁場會加強而使得整體帶有磁性;相反如果他們之間的方向不一致,磁場會互相抵消,宏觀上便看不到磁性。

    因此微觀下小磁鐵間排列的整齊程度,便反映在它磁性的強弱上。

    這些小磁鐵因為能量的關係,平常被固定住不容易活動,除非得到一些外力的幫助。例如外加大磁場時,強大的磁力便可以讓它們順著磁場方向排列。

    另一個方法是加熱讓小磁鐵們 "活躍" 起來。雖然降溫後它們又會被再度 "凍結"住,但若在降溫過程中加一點小磁場 ( ie., 地磁 ),則他們會傾向沿著磁場方向來固定,因此最後會帶有一點磁性。

    事實上我有用這個方法來磁化 3 號縫衣針:

    用打火機燒熱縫衣針,並順著平行地磁的方向擺放來降溫;結果得到一點點 (-0.06 / 0.10 高斯) 的磁化量 ( 磁化程度比不上用磁鐵 E 的結果 )。

    理論上摩擦也是一種給能量的方式,雖然不能跟打火機加熱相比,但按理應該也可以使小磁鐵們稍稍"活躍" 起來。所以數據顯示摩擦頭髮能改變磁化程度是合理的。

    最後我有把這些以摩擦頭髮來磁化的樣品,放到水中測試偏轉能力。結果發現,大部份測試在很長時間內(~ 十數分鐘 ) 指針都沒有指向正確方向;即使偶爾有,也沒有重複性,不能當作有效結果。

    不過更重要的問題是,我是順著地磁的方向來摩擦,才有最大的磁化效果 ( 但還是太弱 )。如果不知道方向隨便擦 ( 若你知道方向就不需要它了...XD ),磁化效果只會更弱。

    所以我的結論是:雖然摩擦頭髮或許有那麼一點點的作用,但在實作上這方法是行不通的 [註6]。

    2010-03-13 22:59:14 補充:

    ●註[1]

    通常用來對鐵製品消磁和磁化的方法:

    消磁

    (1) 放在通入交流電的線圈中。

    (2) 大力敲撀。

    (3) 高溫加熱至超過材料的居里溫度。

    磁化

    (1) 放在通上直流電的線圈中( ie.電磁鐵 )充磁。

    (2) 以另一顆永久磁鐵沿同一方向摩擦。

    ●註[2]

    我是用1000多度的瓦斯噴槍來加熱,確保達到居里溫度以上 ( 鐵的居里溫度約 800 度 )。

    ●[註3]

    地球磁場:約 0.5 高斯

    普通磁鐵 ( 通常為黑色文具店在賣的那種 ):約數十高斯

    釹鐵硼磁鐵 ( 通常外面有鍍一層銀色的金屬 ):可以達到上千高斯

    醫院 MRI 超導磁鐵:數萬高斯

    2010-03-13 22:59:24 補充:

    ●[註4]

    通常還殘留著一點磁性,但當作已消磁,因為實作上不容易完全去磁。

    ●註[5]

    同時作 (C) & (D),即順& 反地磁兩方向的實驗,是為了証明影響確是來自微弱的地磁;4 號細鐵線很成功地証明這點,故其他數據中的 NA 就是懶得再做了...

    ●註[6]

    這兩個實驗表明,常見的軟/硬磁性鐵製品都無法通過測試。

    不過磁性材料的性質千百種,如果要找,我想還是會有容易磁化、磁性強度又足夠強的材料能通過這個測試,但這樣就失去意義了。

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  • 5 年前

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