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图7.7 铅笔芯在磁铁阵列表面的悬浮
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是不是很震撼呢?材料如此简单，结果却如此出人意料。心急的读者肯定迫不及待地买回钕铁硼磁铁和铅笔芯，要亲自尝试一下了，但是你的第一次尝试很有可能是失败的。因为这看似简单的现象，实际上也暗藏玄机。首先，这些四四方方的磁铁要怎么摆放在一起形成如图7.7所示的阵列呢？把它们凑在一起的方式有许多种，而只有一种方式是可以产生悬浮的。那就是如图7.8所示的那种相邻磁铁南北极相反的棋盘式结构，而且其中的原因还颇为复杂。简而言之，只有这样排列的磁铁阵才能在竖直方向上产生足够大的排斥力，同时在水平方向上具有势能最低点。
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图7.8 南北极交错排列的棋盘结构
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其次，不是所有铅笔芯都能浮起来。据我的朋友测试，很多种国产铅笔芯不但不能悬浮起来，反而会被牢牢地吸附在磁铁上。据分析这是因为国产铅笔芯大都含有粘土成分，其中的四氧化三铁与磁铁的吸引力大过石墨与磁铁的排斥力。有一种日本生产的派通铅笔芯（网上有卖）是磁悬浮爱好者信得过的品牌，其生产的各种型号都能顺利悬浮。最后，铅笔芯的长短也是很重要的，太短了也不能被浮起来（见图7.9），与磁铁的排列一样，这也是一个颇为复杂的问题。因为一根悬在空中的铅笔芯，其各个部分所受的排斥力是不一样的。这个力既要平衡掉它的重力，又不能产生力矩使得它旋转（比如图7.9中最短的那两根铅笔芯就是因为自身各处所受的排斥力不对称，在这个力矩作用下产生旋转，导致一头碰着磁铁，一头悬在空中）。总体来说，铅笔芯的悬浮容易实现，但是要深入探究它的稳定性，还不是一件容易的事情。如果读者中有物理专业的朋友，可以把这个当作一个小课题来研究一下，研究成果足以在国际杂志上发表。
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图7.9 不同长度铅笔芯的悬浮
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上面的这个实验虽然简单，但是深入的原理比较复杂。接下来的这个实验则恰好相反，它制作起来稍微麻烦一点，但是原理上就要简单得多了。上面的实验里石墨是被悬浮的主角，而下面的实验中被悬浮的主角是一块小磁铁，石墨只是起到帮助它稳定的作用。
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整个装置如图7.10所示，因为我当年在亚利桑那大学物理系学习的时候，有条件很方便地使用电锯、车床、打孔机等工具，所以才得以制作这样一个看起来颇为“专业”的装置。与悬浮有关的重要部件在图7.10中以红色箭头标记了出来，其中的大钕铁硼磁铁吸引着位于两块石墨之间的小钕铁硼磁铁（浮子）。大家可能都有过用一块大磁铁从桌面上吸起另一块小磁铁的经历，毫无疑问，这种情况下磁铁相互吸引力足以平衡掉小磁铁的重力。而且在水平方向上，小磁铁是稳定的——用手把它向侧边推动一下，它还会回到大磁铁的正下方来，这表明它的势能在水平方向上的最低点就是位于大磁铁的正下方。但是恩绍先生又来捣乱了，他的定理指出，至少有一个方向上小磁铁是不稳定的。果然，此时竖直方向上它是不稳定的。我们拿大磁铁的手撤得再快也避免不了桌面上的小磁铁以迅雷不及掩耳之势，吸附到大磁铁上的命运。
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图7.10 石墨稳定下的磁铁悬浮装置
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那么如果我们能够想个法子，使得当小磁铁偏离平衡位置（即大磁铁对它的吸引力等于其重力的位置）奔向大磁铁时，我们给它一个向下的推力；当小磁铁偏离平衡位置远离大磁铁时，我们给它一个向上的推力，这样就能使得它老老实实呆在平衡位置了。要做这件事人的反应速度是远远不够的，这时石墨就派上了用场。它的逆磁性告诉我们，当小磁铁靠它越近时，它对小磁铁产生一个越大的排斥力，这样两块石墨片把小磁铁夹在中间就起到了稳定小磁铁的作用。当小磁铁试图靠近或远离平衡位置时，它也更靠近了上面或下面的石墨片，在石墨片中诱导出更强的反抗磁场，从而产生更大的排斥力把它推回平衡位置。图7.11展示了小磁铁悬浮的样子。
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图7.11 小磁铁悬浮在两块石墨之间
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你可能注意到了在图7.10的装置中有两个调节高度的螺丝。它们用于比较细致地调节石墨片之间的间隔，以及大小磁铁之间的距离。如果石墨片之间的距离过大，则逆磁效应产生的排斥力不足以稳定小磁铁。所以调试的时候可以先使得石墨片之间的距离最小，只要稍微大于小磁铁的尺寸即可。观察到了悬浮现象以后，可以慢慢增加石墨片之间的距离。大磁铁的强度越强，则悬浮越容易成功，而且石墨片之间的距离也可以增加的更大。
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你读到此，可能既兴奋又难过，兴奋的是这个装置看起来很好玩，难过的是加工这些材料似乎不容易。其实不然，石墨片和大小磁铁都可以从网上买到，而如果没有工具加工支架和距离调节装置的话，完全可以用别的简陋一些的方法替代。如图7.12所示，上面那块石墨片由一个电子爱好者常用的万向焊接台夹住，可以手动调节它的高度，而大磁铁用另外一个焊接台夹住，也可以手动调节高度。虽然调试起来比图7.10中的装置要困难一些，但是只要稍加耐心，成功也是很容易实现的。
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图7.12 简易版石墨稳定下的磁悬浮
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探索与发现
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在这一节中，我们先来看恩绍定理的证明。如果你没有学过麦克斯韦方程的话，这一部分可以暂且略过；如果你学过麦克斯韦方程但是早就还给老师了的话，这一段或许会唤醒一些或美好或痛苦的回忆。
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