以抵抗地心引力的磁鐵魔術說明楞次定律

十月 11, 2017
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繪:Rob Nance

一手拿著12”長的鋁管,另一手拿著拋光過的小金屬圓柱,把這個小圓柱體投入鋁管(圖A),頓時間,它消失了。
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圖A 攝影:Charles Platt

它跑去哪了?不見了!它在鋁管裡面緩慢降落,而非以自由落體運動落下。五秒鐘後,小圓柱終於出現在底部,成功抵抗重力(多少有一點啦)。

設備

想要親眼見證的話,你需要一塊圓柱狀的釹磁鐵( neodymium magnet ),高1/2 直徑 11/16”,如果希望效果好,釹磁鐵至少要這個大小,而且最便宜。我建議你去KJ Magnetics購買,他們有販售難得一見的11/16”尺寸,另外你還需要12”的鋁圓管,內徑3/4”( 內徑一般簡稱ID )。Speedy Metals等網路商店皆有販售,只要花幾塊美元而已。 

投入磁鐵後,從鋁管的一端窺視,你會看到磁鐵竟然神秘地飄浮下降,就像在水中落下一樣。鋁管又不是磁鐵,怎麼會有這種效果呢?我在2017年灣區Maker Faire展示這個魔術時,也沒有任何觀眾知道原因。

原理

​ 為了解釋原理,我建議你自己做一個線圈,只要比磁鐵大一點就好。我的書《Make: Electronics 圖解電子實驗專題製作》裡面寫過這個實驗,但這篇文章的版本更簡易、更便宜,因為我設法使用更小的磁鐵,祕訣是在外面緊繞線圈。
 
        在 木釘( dowel )任一端,從中央鑽一個1/8”深的孔,插入1又1/4”的螺絲釘,只剩下1/2”外露,如圖B所示。
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圖B 3/4” 木釘末端插入1 1/4”六角螺絲,亦可採用一般的螺絲,但待會恐怕無法用鑽頭的夾頭穩穩固定住

把西卡紙裁成圖C的6”x2 3/8”長方形,對摺後(圖D)在其中一個邊緣貼膠帶(圖E),膠帶黏到另一邊後,撐開呈管狀(圖F),這時候 木釘應該可以穿過去(圖G),如果穿不過去,那就重做一根寬一點的。
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圖C 左邊紙條的寬度是2 3/8”

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圖D 紙張裁完縱向對摺

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圖E 沿著邊緣貼上膠帶

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圖F 膠帶黏到另一邊後,撐開變成管狀

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圖G 把 木釘滑入管子

現在你需要兩個瓦楞紙環,如圖H所示。製作步驟為:先裁切紙環的外緣,直徑為2”,接著把 木釘放在紙環中央,沿著外圍描一圈,再裁掉紙環的內緣。用圖釘在任一個紙環戳小洞。
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圖H 瓦楞紙環

將包住木釘的紙管塞入瓦楞紙環中,兩個紙環間隔1/2”並黏好,如圖I所示。
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圖I 以Everyday Elmer’s Glue樹脂固定紙環

現在你需要30G漆包線,在eBay就買得到。把4”漆包線穿過你剛剛在紙環鑽的小洞,用膠帶固定在管子上以免晃動。用夾具夾住筆,筆須大致與桌面平行(有一點斜度),上面套一整卷的漆包線。先在 木釘繞幾圈漆包線,如圖J所示。
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圖J 準備在紙管纏繞漆包線

把鑽頭的夾頭鎖緊從木釘突出來的螺絲釘(圖K),接著用鑽頭旋轉木釘,不斷將漆包線從線捲拉出。
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圖K 鑽頭的夾頭鎖住六角螺絲釘

 30G漆包線大約要纏個600圈,在夾頭貼個膠帶有助於你計算旋轉次數,但如果想要準確一點,最好不時把線捲拿下來秤重,確認你是否已經用掉1盎司漆包線(圖L)。
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圖L 實驗室電子秤很好用,在eBay購買也不貴

線圈記得不要纏太緊,因為之後還要取出木釘(圖M)。
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圖M 纏好的線圈大約是1盎司的30G漆包線( 600圈 )

用很細的砂紙磨去漆包線末端的絕緣層,兩端分別加上鱷魚夾電線,再來測量線圈的電阻,大約會是20Ω,如果你測量不到電阻,或者一下子有、一下子沒有,那可能是絕緣層尚未磨乾淨的緣故。
 
讓磁鐵吸住 木釘末端的螺絲釘,如圖N所示。現在重頭戲來了!在兩個鱷魚夾跳線之間安裝LED, 木釘在管內來回抽動,進而讓磁鐵驅動線圈(圖O),LED就會開始發亮。
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圖N 釹磁鐵吸住 木釘末端的螺絲釘

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圖O 木釘來回抽動,讓磁鐵穿過線圈,點亮LED

渦流(Eddy Current)

全世界幾乎所有電力都是這樣發電的,唯二的例外是電化學發電(用電池)和光伏發電(太陽能板)。如果沒有人發現磁鐵可以讓線圈發電,現有的人類文明就無以存在。
 
你了解這個實驗和磁鐵緩慢落下的關係了嗎?試想鋁管就像只繞了一圈的超長線圈,在其中來回移動磁鐵會不會產生電流呢?在鋁管套上連接線( hookup wire ),大約間隔1”,接著測量毫伏,當你把磁鐵投入鋁管,或者讓它在管內抽動,就會測量到些許電流。
 
事實上, 移動的磁鐵會在鋁管之內,產生稱為「渦流」的電流。依照楞次定律( Lenz’s Law ),這些電流會形成自己的磁場,剛好與磁鐵相反。
 
但不只如此,別忘了電流流過導體時,也會產生少許熱能。為什麼會有熱能呢?磁鐵本來就有潛在的能量,取決於它跟地心的距離,當磁鐵落下而失去潛在能量時,那股能量會在鋁管內部產生少許熱能。熱力學第一定律告訴我們,能量不會無中生有或憑空消失,磁鐵緩慢落下就顯示了這個現象。

漂浮的魔術

你可以利用緩慢落下的磁鐵來變魔術,只要有一根沒磁性的金屬棒就行了,但外觀看起來要像釹磁鐵。McMaster-Carr等線上金屬材料商店,大多都有販售1’長的11/16”金屬棒。
 
用弓鋸或手持電動圓鋸的砂輪(更簡單),切割一段跟磁鐵等長的金屬棒,用細砂紙打磨拋光,我稱之為假磁鐵。
 
一手拿著真正的磁鐵,假磁鐵藏在你的另一手,把真正的磁鐵投入管中數次,展示漂浮的效果,然後把管子交給朋友,悄悄把真磁鐵換成假磁鐵,大家不用想也知道,它會筆直落下。

加強版

我還想到幾個加強版。在圖P中,我用弓鋸在管子上鋸了一道凹槽,讓大家看清楚磁鐵在管內落下的情況。
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圖P 在鋁管切一道凹槽,讓人觀察磁鐵在裡面慢速落下

另一個方法是從五金行購買1/2”的鋁軌道,你可以看到磁鐵和鋁軌道之間還留有空隙,所以能夠如圖Q所示順利滑動。雖然下滑的速度沒有鋁管緩慢,但渦流仍會妨礙它快速滑動。
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圖Q 磁鐵會沿著1/2”的鋁軌道龜速滑動,太神了!

如果有人問你這個魔術的原理,你可以給他看LED和線圈的實驗,或者直接回他們這是熱力學第一定律的作用,我在Maker Faire就是這樣回答,但有些人聽了半信半疑。
 
想知道更多磁力學和電力學的知識,參見我的書《Make: Electronics 圖解電子實驗專題製作》,如果想認識鋸子或螺絲起子等工具,參見我的書《Make: Tools》。
時間:1至3小時 難度:簡單 成本:20美元
材料

  • 瓦楞紙,3”x 6”
  • 膠帶,寬度1/2”
  • 西卡紙,4”x6”,或者比較堅硬的紙張
  • 木釘,直徑12”x3/4”
  • 螺絲釘,1 1/4”,#8,最好是六角釘,平頭十字亦可
  • 鋁管,內徑3/4”,管壁厚度不限,長度12”
  • 釹磁鐵,圓柱狀,直徑11/16”,長度1/2 ”
  • 漆包線 30G,至少1盎司(大約200’長)
  • 一般市售LED,紅色,5mm
  • Elmer’s或環氧樹脂
  • 細砂紙
  • 鱷魚夾電線(2)
  • 連接線(2),22G、長度6”,兩端都要剝線
  • 鋁軌道, 1/2”,長度12”(非必要)
工具

  • 美工刀
  • 電鑽,附 3/8”夾頭
  • 鑽頭,直徑1/8”
  • 萬用電表
  • 夾具或夾鉗
  • 圖釘

(譯:謝明珊)
[原文]
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