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如影隨形的磁鐵

2016.8.16

※器材：強力磁鐵、磁鐵白板牆、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：將磁鐵以膠帶直立的黏貼在玩具車（塑膠製）的車頭固定。將紙團靠近玩具車，玩具車很快被紙團內的磁鐵吸引，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。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：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？ ※原理：實驗一的原理較為簡易，為二個磁鐵玩具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 DIY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。

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