徐媛媛，王静
西昌学院理学院，四川西昌，615000
摘要：人造磁铁在生活中应用广泛，例如马达，发电机，起重机等。目前有关磁铁间相互作用力计算均是通过电流产生的磁场及相关公式计算得出，所以得出磁铁间作用力与磁铁间距离的经验公式对生产生活中计算磁铁间作用力有诸多便利。此实验是研究人造磁铁的磁铁间作用力与磁铁间距离的关系，我们通过该实验验证自由能发电机的可行性，自由能发电装置如果可行，将会对生活产生巨大影响。
关键词：自由能，人造磁铁，发电
磁铁的运用具有悠久的历史.最早发现及使用磁铁的应该是中国人。例如"指南针"是中国人四大发明之一。至于最早磁铁谁发现,最古老的记载是中国黄帝大战蚩尤的指南车。中国在西元前一世纪就知道有磁铁极化的情形。战国时代,就曾利用一根自然磁铁,放在有刻度的铜盘上,用来占卜。北宋时利用两种方法制造出人工磁铁,一种是将烧红的铁针,置于南北方向,急速冷却后,利用地球的磁场将铁针磁化；另一种是用磁石磨擦铁针而成。而《梦溪笔谈》中记载了磁偏角的存在,发现在磁偏角的影响下,磁针指向南方,比真正的南方略偏东。依据这些知识,而发展出将磁铁做为指南针的科学应用。
磁铁只是一个通称,是泛指具有磁性的东西,实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没有永久磁性,只有靠近永久磁铁才会感应产生磁性,它的成分可能有铁、钴、镍等.其原子结构特殊，原子本身具有磁矩.一般的这些矿物分子排列混乱.磁区互相影响就显不出磁性。但是在外力(如磁场)导引下分子排列方向趋向一致.就显出磁性.也就是俗称的磁铁.铁，钴，镍是最常用的磁性物质。
在目前探究磁体间相互作用力是通过电流产生的磁场公式计算，并且计算的是永久磁铁间的相互作用力。目前无相关实验研究人造磁铁中作用力与磁铁距离间关系的规律性，同时关于自由能发电机制作的可行性并没有科学的相关研究。因此本文对研究人造磁铁中作用力与磁铁距离间关系的规律的实验及结果进行阐述，并对自由能发电装置的可行性进行探索与展望。
1.实验准备过程
1.1理论准备
在进行实验之前,收集资料，了解目前对磁铁间相互作用力及自由能发电装置的研究现状：大部分磁铁间相互作用力均是通过电流产生的磁场及相关公式计算得出，或者根据等效磁荷理论,任意一点P的标量磁位的二维泊松方程经过二重积分可得P点的磁场强，但后者计算复杂且仅用于所研究的矩形磁铁，目前没有磁铁间相互作用力与磁铁间距离的数学模型经验性公式，而关于自由能发电装置更没有系统性的研究。
在充分查阅资料后，便开始设计实验方案，考虑实验过程中可能存在的影响实验的客观因素及其解决方案。摩擦力和重力就是影响实验结果的重要影响因素之一，在这次实验给采用空白试验来作为对照组，解决摩擦力和重力的影响。
1.2 实验器材
两个圆柱形小磁铁,两个木质圆柱，一个定滑轮，一个动滑轮，一圈鱼线，一个空桶，电子称，弹簧测力计2N,弹簧测力计5N.
2.实验实施过程
2.1试验
2.1.1 实验装置安装
在固定空桶上拉开两个对应的开口并在其边缘顺着桶的方向贴一钢尺，以便观察并测量两磁铁的距离。
将磁铁2镶嵌在另一圆柱中并连接滑轮，将磁铁2上连接的动滑轮再连接到一个定滑轮上，最后连接在量程为2N的弹簧测力计上。
将镶嵌着磁铁2的木质圆柱放在固定空桶最下端
2.1.2 实验装置示意图
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2.2 实验装置
2.2.1实验装置安装
将一个磁铁1镶嵌在圆柱中，并将圆柱固定在剖开的空桶中中。
磁铁2镶嵌在另一圆柱中并连接滑轮。
将磁铁2上连接的动滑轮再连接到一个定滑轮上，最后连接在电子称上。
注意：下圆柱与动滑轮间长度足够长至可使下圆柱滑行到空桶最上端。
两磁铁固定在木质圆柱中，保证磁铁的正对面积。
试验所测为两磁铁间互斥力，保证两磁铁同极相对。
用电子称初测出互斥力，根据初测的互斥力大小选择弹簧测力计，使实验数据更加精确。
2.2.2 实验装置图
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3.3 图表分析
磁铁间距离有磁铁间互斥力经验性公式：Y=0.5877X-1.251 （其中Y代表作用力F，X代表两磁铁间距离）
对原始数据通过计算机以磁铁间距离为横坐标，磁铁间作用力为纵坐标得出数学模型，即磁铁间相互作用力与磁铁间距离的线性关系，可以从图中看出，磁铁间相互作用力与磁铁间距离随着距离的增大飞速变小，且在距离增大到0.3cm之后，图像开始趋于平缓，则表示，在实验中，两磁铁间距离达到了0.3cm及其以后，磁铁间作用力的变化不大，只有在两磁铁间距离近于0.1cm时，磁铁间存在着极强的磁铁间相互作用力。
4.实验结果与结论
在实际过程中，磁铁间作用力在带动装置发电的过程中存在了摩擦力，空气阻力等影响因素。如果通过两磁铁间作用力制备自由能装置，摩擦力，空气阻力等种种因素无法完全避开。由于能量守恒定律，磁间作用力在带动装置发电的过程中，能量会被各种影响因素消耗，实际上能用于发电的能量较少。
在实验中所运用的普通磁铁，两磁铁间所产生的的磁力过小原因可能如下：
1，实验所用的两磁铁较小及正对面积过小，导致所能产生的磁力过小。2，实验所运用的磁铁具有两极，磁铁的两极均会相互影响，导致所产生的磁力过小。
基于实验中的两种原因，要成功制作出自由能发电装置，要运用较大的稳定的单极磁铁。通过查阅资料，就目前而言，单极磁铁仍然存在于实验室研究阶段，目前存在的几种单极磁铁制作方法上制作困难，仍然无法大量生产且制作出单极磁铁不具有完全屏蔽的效果。即目前我们所能实验室制备的单极磁铁并不稳定。所以我们大量生产的磁铁中并没有单极磁铁，广泛存在的磁铁均有N.S两极，在我们设想的自由能发电装置中，同极相排斥，异极相吸引，那么在我们给定的初动能消耗完全，磁铁就会存在一个稳定状态，不再产生作用力。
综上，自由能发电装置的制作在目前仍存在重重困难，在现在的技术仍然无法制作。
5.实验反思
在整个实验过程中，存在着部分由于实验仪器限制没有进一步探索的地方。
1.实验的梯度在0.1cm之间，由于空桶上标尺的精度限制，无法进行梯度更小的实验，在之后的研究可以考虑换用精度更大的进行更小梯度的实验，进一步完善磁铁间作用力与磁铁间距离的经验性公式。
2.实验中所用的磁铁只有一种，可以改变磁铁的种类，所用的磁铁为普通磁铁，在进一步的研究中可以采用单极磁铁，探索单极磁铁的经验性公式，进一步的探索自由能发电装置的可行性。
3.实验中探索了磁铁间距离与磁铁间作用力的经验性公式，在之后的研究中可以进一步探索磁铁间正对面积与磁铁间作用力的经验性公式。
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