科技小製作—用溫度駕馭磁性的居里溫度計試驗

在很深很深的地球中心，埋藏著一個困惑科學家很久的天大祕密——地磁。地磁就好像是地球中心的一塊大磁鐵，大磁鐵的南北極大致平行著地理的南北極，它所造成的磁場籠罩整個地球和附近的太空。但令人費解的是，地心肯定沒有這塊大磁鐵！

如果不使用指南針或測量磁場的儀器，人類的感官完全無法察覺地磁的存在。但是許多進行長途遷徙的生物，例如鴿子、龍蝦、海龜、鮭魚、蜜蜂以及候鳥，都能感受得到地磁，並且利用地磁導航，千里迢迢到達它們旅行的目的地。

世界各地所有具有磁性的東西，都會受到地磁微小磁力的影響。本身是一支針狀小磁鐵的指南針，只要不受其它力量的影響，並且能夠輕易轉動指向，就會被微弱但無所不在的地磁吸引。因為地磁的南北極大致平行地理上的南北極，所以當指南針受到地磁吸引，指向地磁的南北極的時候，也就指出了地理上的北方。

在酷寒的極地上，抬頭仰望夜空，有時候可以看到瑰麗的極光，如同從太空垂下的巨大窗簾，寂靜地散發出柔和的光亮，非常壯觀。極光的成因也與地磁有關。從太陽噴發出來的高能帶電粒子（又稱為太陽風），射向地球時，在太空中因為受到籠罩整個地球的地磁磁場作用，會轉向地磁的南北極，進而撞擊極地高空的大氣分子和原子，受到撞擊的大氣分子和原子於是發出亮光，形成極光。

承載歷史的沉積物

具有鐵磁性的東西，它的溫度高於居里溫度時，鐵磁性就會消失；當它的溫度下降之後，才又恢復鐵磁性。地球內部的熾熱岩漿，會從海底所謂中洋脊的地方升到地球表面，持續不斷形成新的海洋地殼。在形成海洋地殼的冷卻過程中，原本因為高溫而消失磁性的礦物又恢復了磁性，這些礦物的磁性方向，於是記錄著當時地磁的方向。科學家們發現，在不同時期形成並向中洋脊兩側擴張的海洋地殼中，磁性礦物的磁性方向不同，顯示地磁的南北極過去曾多次反轉。

深海沉積物殊途同歸，也顯示同樣的結論：地磁的南北極過去曾多次反轉對調。具有磁性的沉積物，就像一根根指南針，在海水中緩慢下沉時，會指著地磁的南北極，沉到海底後，再被後來不斷沉積的沉積物迭壓固定。科學家發現，先後沉積在上下層的沉積物，它們的磁性方向也因地磁南北極的翻轉，發生反轉對調的現象。

地球中心稱為地核，由固態的核心和液態的外核構成，溫度近乎太陽表面溫度，實在太高，不可能有一塊具有磁性的大磁鐵。地磁生成的原因和地磁南北極對調的現象，至今仍是尚未完全解開的謎團。最新研究認為：液態外核的複雜對流，造成自激發電機的效果，是形成地磁的關鍵。科學家根據這樣的理論，利用超級計算機進行模擬計算，的確可以模擬出，地磁強度和地磁南北極不定週期對調的現象。

本文介紹的這項實驗，以同樣具有鐵磁性的鎳為例，演示超過居里溫度時，鐵磁性消失，溫度下降之後，又恢復鐵磁性的現象。

科技小製作圖一：經過改良設計的居里溫度計完成圖。圖中所標示的一至六，表示文中製作方法的（一）至（六）步驟，讀者可以對照閱讀。

科技小製作方法與步驟

本次實驗所需要的材料，包括白楊木、巴沙木、鎳片、銣鐵硼磁鐵、銅片、鋁片、縫衣針、大頭針、載玻片與AB膠等。實驗機具的完成圖如圖一，製作方法與步驟說明如下：

（一）取出一根長約40 公分、寬約1 公分、厚約0.5 釐米的白楊木，在其中心鑽一小孔，整支白楊木杆用較大的鑽頭鑽孔，儘可能鏤空，並略微削薄，以減輕其重量，同時保持兩側平衡；此白楊木杆兩端也鑽若干小孔。

（二）剪出兩片約2.2 × 2.2 平方公分的鎳片，每張鎳片的兩側用美工刀割出兩個縫；再剪出兩條長約8 公分、寬約0.5 公分的銅片。銅片一端穿過鎳片兩側的兩縫，並於外側折迭，以類似編織的方式（先從一端縫中往上穿出，再朝下從另一端縫中穿出）將鎳片固定在銅片兩端（圖二）。銅片另一端也鑽有若干小孔，用細銅絲穿過銅片上的小孔和白楊木上的小孔，以捆綁的方式把連著鎳片的銅片固定在白楊木杆兩端。必要時捆綁用的細銅絲上塗上AB 膠，加強固定。

圖二：在本實驗中，不需要麻煩的焊接工具，讀者以類似編織的方式，即可將鎳片固定在銅片兩端。

（三）將縫衣針垂直穿過白楊木杆的中心孔，確認垂直之後，以AB 膠加以固定。另外，在距離縫衣針約10 公分處，用AB膠垂直固定一根大頭針。再利用白楊木及載玻片製成一個軸承，主要構造如圖三所示。

科技小製作—圖三：白楊木及載玻片制的軸承。最下方為一片載玻片，載玻片上方有片薄白楊木，其中有一小孔，白楊木杆的縫衣針置入小孔，縫衣針的上端，再穿過另一片薄白楊木的小孔，縫衣針針尖頂住載玻片。

軸承的最下方為一片載玻片，載玻片上方安裝一片中間有一小孔的薄白楊木片。先將白楊木杆中心的縫衣針，置入白楊木薄片中的小孔，白楊木杆中心的縫衣針的上端，再用另一片中間有一小孔的薄白楊木片侷限住。於是，上下兩片白楊木薄片的小孔框住縫衣針的上下端，縫衣針下方的針尖則頂住載玻片。

（四）製作桿狀飛輪：先將一根長的縫衣針用AB 膠固定在長6 公分的白楊木上，作為轉軸，距離縫衣針約3 公分處，再用AB 膠垂直固定一根大頭針，作為曲軸。另外，可用其它白楊木裝飾桿狀飛輪的兩端（圖四）。

科技小製作圖片—圖四：桿狀飛輪以縫衣針作為轉軸，大頭針作為曲軸，白楊木飾以紅色硬紙。桿狀飛輪的縫衣針轉軸置軸承中，縫衣針針尖頂住載玻片。

（五）為了將桿狀飛輪和兩端有鎳片的白楊木杆，安裝在適當的位置，用白楊木製一底座，底座上黏有適當高度的支架，用來安裝兩個軸承，使桿狀飛輪和兩端有鎳片的白楊木杆在同一高度。長度約20公分巴沙木的兩端鑽兩小孔，作為連桿，兩小孔分別套住桿狀飛輪的曲軸和白楊木杆的大頭針（圖五）

科技小製作圖片圖五：白楊木製底座上黏有適當高度的支架，安裝兩個軸承，桿狀飛輪和兩端有鎳片的白楊木杆在同一高度。連桿兩端的兩小孔，分別套住桿狀飛輪的曲軸和白楊木杆上的大頭針。

（六）座上另外黏有適當高度的支架安裝兩個磁鐵，以便吸引白楊木杆兩端的鎳片。