一种外显单极性的磁力球的制作方法

本实用新型属于磁力球技术领域，具体涉及一种外显单极性的磁力球。

背景技术：

现代理论物理学和粒子物理学都预测宇宙中可能存在一种磁单极子，这种带有北极或南极的单一磁性的磁性物质，其磁力线分布类似于点电荷的电力线分布。至今科学家仍没能找到可靠的磁单极子存在的证据，因此仍不能确认磁单极子是否真实存在并对其展开实验研究。

虽然科学家至今仍未找到磁单极子，但是如果有一种模型，能模拟科学家预测的磁单极子的力学特性，则可以在没有客观本体存在的条件下提前对磁单极子进行一定程度的深入研究，为此，人们需要一种能模拟磁单极子力学行为的模型。

为满足该需求，一种容易想到的方法是通过将若干磁铁按南北极磁性同性同向的方法均布于一个用于固定磁铁的球体表面，并确保该球体能够克服磁铁之间的排斥力而得到，比如授权专利cn102226956b公开了一种单面呈单一极性的磁铁及由其构成的磁悬浮装置，其中所述的呈单一极性的磁铁即包括多个磁铁单元和用于固定磁铁单元的磁铁固定体。这种方法的缺点是，通过采用固定体强行克服磁铁的同性斥力，从而将磁铁固定在一起，由于两个同心同向且彼此十分靠近的磁铁排斥力较大，使得制造过程较为复杂和困难。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供了一种外显单极性的磁力球，其解决了现有技术中存在的制造过程复杂和困难的问题。

根据实用新型的实施例，一种外显单极性的磁力球，其包括正二十面体框架，以及连接在正二十面体框架的每一面上的二十个正四面体，且正四面体连接后使得正二十面体框架上具有二十个指向朝外的三角锥形尖端；每个正四面体包括点点连接的六根磁力棒，且正四面体上有两个顶点外显南极磁力，另两个顶点外显北极磁力；其中，每一所述三角锥形尖端均显示南极磁性/北极磁性。

上述技术方案中，没有复杂的固定结构，利用磁力棒自身的磁力实现结构的组合，使得外显单极性磁力球的制造过程相对简单容易。

进一步地，包括包裹在所有所述三角锥形尖端外的无磁性外膜。

进一步地，所述无磁性外膜包覆为圆球形。

进一步地，所述正二十面体框架包括三十/六十根点点相连的磁力棒。

进一步地，所述三角锥形尖端由两根同极性的磁力棒顶端和一根异极性的磁力棒顶端连接而成。

进一步地，所述无磁性外膜为透明材质。

综上，本实用新型的有益效果是，通过以常见的磁力棒和无磁性包覆材料为原材料，以简单的组合方式构造出具有外显单一极性的磁力球，让人们可以在正常的视觉条件下近似研究和观察可能存在的磁单极子或正负电子的力学行为，并可以提高磁力玩具的新颖性和娱乐性，达到更好的教学效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例的正四面体结构示意图(阴影端表示磁力棒的北极极性，非阴影端表示磁力棒的南极极性)；

图2为本实用新型实施例的带三角锥形尖端的正二十面体磁力球结构示意图；

图3为本实用新型实施例的正二十面体框架结构的其中一个顶点和一个相邻三角锥形顶点至二十面体中心的位置关系示意图(一)；

图4为本实用新型实施例的正二十面体框架结构的其中一个顶点和一个相邻三角锥形顶点至二十面体中心的位置关系示意图(二)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型中的技术方案进一步说明。

参见图1至图2，一种外显单极性的磁力球，其包括正二十面体框架，以及连接在正二十面体框架的每一面上的二十个正四面体，且正四面体连接后使得正二十面体框架上具有二十个指向朝外的三角锥形尖端；每个正四面体包括点点连接的六根磁力棒，且正四面体上有两个顶点外显南极磁力，另两个顶点外显北极磁力；其中，每一所述三角锥形尖端均显示南极磁性/北极磁性。

上述实施例中，没有复杂的固定结构，利用磁力棒自身的磁力实现结构的组合，使得外显单极性磁力球的制造过程相对简单容易。

优选地，包括包裹在所有所述三角锥形尖端外无磁性外膜。

优选地，所述无磁性外膜包覆为圆球形。

优选地，所述正二十面体框架结构包括三十/六十根点点相连的磁力棒。

优选地，所述三角锥形尖端由两根同极性的磁力棒尖端和一根异极性的磁力棒尖端连接而成。

优选地，所述无磁性外膜为透明材质。

将一个外显北极磁性的磁力球和一个外显南极磁性的磁力球用于演示异性磁力相吸：

将两个异性磁力球分别握于双手中，然后两手缓慢靠近，再缓慢分开，能够感受到两个异性磁力球的吸引力变化(即两个异性磁力球相互靠近)；

将两个均外显北极磁性的磁力球分别握于双手中，然后两手缓慢靠近，再缓慢分开，能够感受到两个同性磁力球的吸引力变化(即两个同性磁力球相互排斥)。

本实施例利用的物理原理是磁库伦定律，具体为如下内容：

根据磁库伦定律公式：

式中(fm→)为磁力矢量，(r→)为两个点磁荷之间的距离矢量，k为磁库伦常数，qm1为第一个细长磁铁的a极点磁荷，qm2为第二个细长磁铁的b极点磁荷，r为两个点磁荷之间的距离标量值。

如果将矢量计算简化为标量计算，则上式可以简化为：

上式fm表示两个点磁荷之间的力，同性为斥力，异性为吸力。

设在两个同性的点磁荷的磁荷大小相等且等于qm+，两个点磁荷之间的距离标量值为2r，两个点磁荷之间的排斥力fm+，则该排斥力的大小为：

现设在上述两个同性的点磁荷中间放入一个磁荷相等，但磁性相反的点磁荷qm-，则该点磁荷与另两个磁性相反的点磁荷之间的距离标量值均为r，且两个相反磁性的点磁荷之间的吸引力fm-的大小均为：

因qm+和qm-的磁荷大小相等，所以：

fm-＝4fm+(方程3)

从方程3可知，处于两个同性磁荷之间的异性磁荷对该两个同性磁荷的吸引力4倍于两个同性磁荷之间的排斥力，因此两个大小相等的同性磁荷和一个大小相等的异性磁荷是可以粘接在一起的。

同理，通过简单的三角函数计算可知，在三个同性点磁荷的中心，放置一个异性点磁荷，三个同性点磁荷和一个异性点磁荷的组合也是能够稳定存在的。

如果磁性二同一异的三个磁荷半径足够小，则可以认为三个磁荷的线性组合仍为一个连接点，不影响整体结构的规整性，这就是本实用新型中所述的磁力棒的两端显示为尖端的原因，也是本实施例正四面体结构单元的四个顶点都能够稳定且规整存在的原因。

同理，对于由正四面体结构单元组合而成的正二十面体框架，其十二个顶点中每一个顶点都由10/15根磁力棒点点连接而成，只要确保该十二个顶点其南北极磁性的点磁荷数值比均为5/5和6/4，或8/7和9/6，则每一个顶点都是可以稳定存在的，并且其外显的磁力均为南极/北极磁力。

因为确保了正二十面体的南极磁性，且每个三角锥形顶点均由三根磁力棒组成，则自然确保了三角锥形顶点的相反磁性，即北极磁性。

这就是本实施例中的带三角锥形尖端的正二十面体磁力球能够稳定存在的原因，为叙述方便，下文将该带三角锥形尖端的正二十面体磁力球又称为冠状正二十面体。

用少许定型胶水将冠状正二十面体中的正二十面体上以线线结合的方式连接在一起的各条棱的磁力棒都粘接并固化在一起，则可以进一步进行规整性的定型，再用无磁性的材料将该磁力冠状正二十面体包覆为一个圆球形固体球，即成为本实施例提供的磁力球。

现以由120根磁力棒组成的南极磁力冠状正二十面体为例，考察该模型是否能稳定存在并外显南极磁力：

南极磁力冠状正二十面体由20个正四面体组成，每个正四面体由6根磁力棒组成，因此一个南极磁力冠状正二十面体共有120根磁力棒，即120个南极磁性点磁荷和120个北极磁性点磁荷，其中60根磁力棒组成正二十面体的30条棱，每条棱有2根磁力棒，正二十面体的12个顶点则共计有60个南极磁力点磁荷和60个北极磁力点磁荷组合而成。

另有60根磁力棒组成20个三角锥形顶点，每个三角锥形顶点有3条侧棱，即3根磁力棒。

现设20个三角锥形顶点均外显南极磁力，且每个三角锥形顶点均由2南1北3个点磁荷组成，根据上述磁库伦定律公式计算结果，该三角锥形顶点是可以稳定存在的，其分布方式为南极点磁荷：20×2＝40，北极点磁荷：20×1＝20，即20个正二十面体顶点上各有2个南极点磁荷，1个北极点磁荷。

现将与三角锥形顶点磁性相反的点磁荷分布在正二十面体的12个顶点上，其分布方式为南极点磁荷：8×2+4×1＝20，北极点磁荷：8×3+4×4＝40，即有8个正二十面体顶点上有2个南极点磁荷，3个北极点磁荷，另有4个正二十面体顶点上有1个南极点磁荷，4个北极点磁荷。

调整上述4个1南4北的正二十面体顶点的其它磁力棒连接点磁荷比，使其比例为6南4北，则该4个二十面体顶点的南北点磁荷数量比例为7/8；调整上述8个2南3北的正二十面体顶点的其中4个顶点的其它磁力棒连接点磁荷比，使其比例为5南5北，则该4个二十面体顶点的南北点磁荷数量比例为7/8；调整剩余的4个顶点的其它磁力棒连接点磁荷比，使其比例为4南6北，则该4个二十面体顶点的南北点磁荷数量比例为6南9北。

总计上述12个正二十面体顶点的南极点磁荷：8×7+4×6＝80，北极点磁荷：8×8+4×9＝100。即有8个正二十面体顶点上有7个南极点磁荷，8个北极点磁荷，另有4个正二十面体顶点上有6个南极点磁荷，9个北极点磁荷。

通过上述说明可知，磁力冠状正二十面体上的每一个顶点，包括正二十面体顶点和三角锥形顶点都是能够稳定存在的。

由于每根磁力棒都总是同时外显等量的南极和北极磁力，因此，在正二十面体的十二个顶点上，共计有二十个北极点磁荷磁力，其中8个顶点的北极点磁荷和值为1qm+，4个顶点的北极点磁荷值为3qm-，平均每个顶点的点磁荷数值为：

为方便计算，忽略掉磁力棒的直径，仅考虑磁力棒的线状长度。设磁力棒的总长为a，则该冠状正二十面体的二十个三角锥形顶点距离二十面体中心的长度为二十面体内切球半径加上正四面体高，即：

该长度r冠顶是三角锥形顶点的外接球球半径。

该冠状正二十面体的十二个正二十面体顶点距离二十面体中心的长度为二十面体外接球半径，即：

参见图3，考察正二十面体其中一个顶点和一个相邻三角锥形顶点至二十面体中心的位置关系：

易知，线段oa＝r外接＝0.9510a，ob＝r冠顶＝1.5722a，正三角形外接圆半径ac＝(1.5722-0.9510)a＝0.6212a，bc＝2×1.5722×sin(18.69°)a＝1.0076a。

根据点磁荷的磁场强度公式：

现计算a点北极磁性点磁荷在c点处，沿ac线段方向发射的场强为：

计算b点南极磁性点磁荷在c点，沿ac线段方向发射的场强分量为：

因每个北极磁性点磁荷周边都有5个南极点磁荷，所以需要将hm-乘以系数5，从而得到在c点处的北极场强为：

可见，如果以ob长度为圆球半径进行包覆处理，则不能达到本实用新型中外显同一极性磁力的要求。因此，需要将包覆半径进行适当增大。

参见图4：

易知，线段oa＝r外接＝0.9510a，ob＝r冠顶＝1.5722a，∠aob＝37.38°，∠ghj＝37.38°，bg＝1.5722×ctg(37.38°)a＝1.2011a，

现计算a点北极磁性点磁荷在g点处，沿ag线段方向发射的场强为：

计算b点南极磁性点磁荷在g点，沿ag线段方向发射的场强分量为：

因每个北极磁性点磁荷周边都有5个南极点磁荷，所以需要将hm-乘以系数5，从而得到在c点处的北极场强为：

负值表示该场强和为相反磁性，即南极磁性。

可见，如果以og长度为圆球半径对磁力冠状二十面体进行包覆处理，则可达到本实用新型中外显同一极性磁力的要求。

这就是本实用新型中的磁力冠状正二十面体需要用无磁性的材料进行适当包覆，以确保外显磁力为同一磁性的原因。

对比现有呈单一极性的磁铁球模型，本实用新型的外显同一极性的磁力球具有如下优点：

第一，使用的原材料仅为带尖端的磁力棒和无磁性的模型包覆材料，原材料简单易得。

第二，模型结构十分简单，没有复杂的零件图和组装过程，易于制造，容易大规模生产。

第三，模型内部没有强大的排斥力，两个同性磁极至少与一个相反磁极相连，且连接处呈点状，最终将与外显极性相反的磁场均匀包裹在正二十面体内部空间，这样的连接方式提高了磁力球内部结构稳定性，延长磁力球的产品寿命。

第四，采用无磁性且透明的模型包覆材料，比如pet塑料或eva塑料，则可便于人们在演示的时候观察磁力球模型的内部结构，加深对磁场强度的理解，同时展示磁力球模型的内部结构之美。

通过将大小不一，数量不一的各种规格的外显单一极性的磁力球进行不同组合，可以组合出各种不同的科学教学模型和玩具。

通过将大小不一，数量不一的各种规格的外显单一极性的磁力球进行不同组合，可以组合出各种不同的科学教学模型和玩具。

在科学教学模型领域：

若干个北极极性磁力球和南积极性磁力球的组合可用于研究理论物理学中预测的磁单极子的力学行为；

此外，外显北极极性的磁力球可用于模拟正电子，外显南极极性的磁力球可用于模拟负电子的概念，并演示二者的同性相斥异性相吸的力学行为；

在玩具领域：

利用单一极性磁力球彼此之间既相互独立，又同性相斥的特性，可以制造组合出可置于手中娱乐的悬浮玩具。

若配合外加磁极的极性变化和磁场大小变化，则可以制造出各种动态悬浮玩具。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

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