哪吒鬧海

實驗目的

約在紀元前八世紀希臘人即在土耳其西部的美格尼西亞古城（現在叫做馬尼薩 Manisa）發現天然磁鐵 礦，俗稱磁石(loadstone) 。把磁石放入鐵粉中攪動，拿起來後可發現大部分之鐵粉都黏在兩端，這兩 個地方磁性特強，稱為磁極(magnetic pole)。 若將磁石水平懸掛起來，會發現磁極有指 向南北的特性，你若將其隨意轉向後放手，它們也都會轉回原來方向，也就是兩個極各有特定的南北指向。所以我們將指向南方 的極取名為磁 南極 (S)，指 向北方的極取 名為磁北極 (N)。根據歷史的記載，中國人首先利用這種南北指向的特性製作了羅盤，如圖1，湯匙狀的磁針放在光滑石板上，它可自由轉動，其柄尖端是中國人習用的指南極(S)。磁鐵根據用途需要可作成各種形狀，比較常見的樣式有條型、馬 蹄型、扁圓柱型等。將兩磁鐵棒的極靠近會發現同性極互相排斥，異性極互相吸引的現象。利用這種現像設計兩項科趣活動，並以『哪吒鬧海』為名。

原理

磁鐵性質

1. 在1750 年米契爾(John Michell, 1724～1793) 首先提出磁極之相互作用力的強度遵循距離平方反比關係。
2. 所有的磁現象都是原子內電子之運動所造成。原子內電子組態決定了物質是否為鐵磁物質(ferromagnetic substance)、順磁物質(paramagnetic substance)或反磁物質(diamagnetic substance)。
   • 順磁物質，如空氣、鋁、鎂、鈾等，有外界磁場存在時，原子會順磁場作互相平行的排列，否則很零亂。當原子順磁場作平行排列時，可在物體之兩端各出現N、S 極，成為磁鐵，此時之磁場強度比原來之外磁場還強。
   • 鐵磁物質，如鐵、鈷、鎳、釓、鏑及高導磁合金(permalloy) 等，其內部原子可互相作用形成許多各自獨立的小區域，這個區域有N、S 兩極，稱為磁域(domain)，磁域間有等於數個原子厚度的界面壁互相隔開，通常相互間作零亂無定向的排列，整體對外不顯示有淨磁極。當有外加磁場存在時，因到外在磁力作用而重組磁域，使磁域順磁場方向轉動，整體出現有 N、S 兩極成為磁鐵。
   • 鐵磁物質，在磁場中能作高度順向排列，在外界磁場移除後仍可維持不變，其所形成的磁性較強較持久且不易受到撞擊或溫度影響。順磁物質被磁化後之各種性質均較鐵磁物質差很多，外界磁場強，則磁化強，外界磁場弱，則磁化弱。鐵磁物質依磁滯的性質分為容易退磁的軟性材料和不容易退磁的硬性材料兩種。
   • 反磁物質可在磁場中被感應成為磁鐵，但其磁極方向卻與磁場相反，所以在磁場中它們受到排斥作用，而不是吸引作用，因此這種物質可形成磁浮現象。
3. 釹磁鐵又稱為釹鐵硼永磁體，其主要原材料為稀土金屬釹、金屬元素鐵和非金屬元素硼（有時添加鋁、鈷、鐠、鏑、鋱、鎵等），如果保存在適當的溫度、濕度且無強外磁場、輻射和其他影響磁性能因素的環境下，其磁性能幾乎可以永遠保持下去。釹鐵硼本身是易腐蝕氧化的，一般我們採取表面處理的方式來保護永磁體，但並不能從根本上解決環境濕度對磁體的影響。環境愈乾燥，磁體的使用壽命就愈長久。