Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Pavel J.

Abstrakt

V příspěvku jsou popsány některé experimenty s neodymovými magnety, Fresnelovou čočkou a štítkem pro elektronickou ochranu zboží.

Klíčová slova: Fresnelova čočka, kmitání, magnetické pole, oscilátor, torzní váhy.

Neodymové magnety

Magnety zasílá řada českých dodavatelů, dají se získat rozebráním nefunkčních počítačů (např. z pevných disků) nebo koupit v čínských obchodech v ČR (knoflíkový magnet průměru 25 mm za 25 Kč). Silné pole umožní efekty, které by s feritovými magnety zanikly [1].

Faradayovy váhy

Faradayovy váhy je dodnes užívaná metoda k měření permeability látek. Je založena na tom, že látky s relativní permeabilitou větší než 1 jsou přitahovány ve směru rostoucího pole, tedy k magnetu, a látky diamagnetické jsou naopak odpuzovány. Hodí se na jednoduchou laboratorní úlohu, kdy si studenti váhy rychle sestaví sami. Ve [2] jsou popsány jednoduché torzní váhy vytvořené následovně: na koncích špejle, která je uprostřed své délky zavěšena na niti, jsou připevněny misky se zkoumanými vzorky. Misky jsou vyvážené tak, aby špejle sloužící jako vahadlo byla ve vodorovné poloze. Pokud ke vzorkům přiblížíme ze strany magnet, začne se vahadlo otáčet ve vodorovné rovině. Jde tedy o jednoduché torzní váhy. Pro konstrukci doporučuji z vlastní zkušenosti:

1. Špejli nezavěšovat na obyčejnou niť, jejíž vlákna jsou spředena, ale na niť na čištění zubů. Na ní se špejle ustálí v rovnovážné poloze a samovolně se nestáčí.

2. Není nutné konstruovat skutečné misky a zavěšovat je na špejli. Jejich konstrukce je pracná a pro svůj velký rozměr činí váhy velmi citlivými na proudění vzduchu. Zkoumané vzorky jednoduše připevníme přímo na špejli. Osvědčilo se přichycení malých vzorků (do 1 cm³) vmáčknutím do pásku alobalu obtočeného kolem špejle. Oba vzorky pak můžeme snadno posouvat po špejli a dosáhnout vyvážení špejle i v případě, kdy se hmotnost vzorků podstatně liší (obr. 1). Vzorky musí mít podstatně vyšší hmotnost, než je hmotnost upevňovacího alobalu, aby bylo možné zanedbat magnetickou sílu na alobalu.

Překvapivě silný efekt odpuzování je vidět na vzorcích obsahujících velké množství vody (kousky ovoce, zeleniny) a na samotné kuchyňské soli. Kreslířské uhly se pro obsah diamagnetického uhlíku rovněž výrazně odpuzují od magnetu, ačkoliv vzorky tuhy a lisovaných uhlíků se naopak k magnetu přitahují. Jejich přitahování je způsobeno znečištěním feromagnetickými částicemi.

Prohnutí vodní hladiny

Efekt je patrný na odlesku na hladině, když je těsně nad magnetem malá vrstva (1 mm) vody (obr. 2 – odlesk prosvíceného struhadla, nad magnetem zdeformovaný). Jako nádoba je vhodné tenkostěnné plastové víčko se začerněným dnem (např. polepené černou izolační páskou). Je nutné snížit povrchové napětí vody kapkou saponátu.

Na provedení snazší je pokus, kdy na hladině (hluboké) vody plave malé těleso, třeba povrchovým napětím. Vždy se bude „přitahovat“ k magnetu, se kterým se přiblížíme shora, a to i v případě diamagnetického materiálu. Není to působením magnetu na těleso, ale protože těleso sjíždí do dolíku v prohnuté hladině.

Měření magnetické indukce

Měření lze provést i pro větší feritové magnety: pomocí podložek vytvoříme mezi dvěma magnety mezeru 2 až 3 mm, kde budeme předpokládat homogenní pole. Do mezery vložíme rovný tenký vodič (hodí se pásek z desky pro výrobu plošných spojů, nebo jen rovný drát). Podle učebnicového postupu bychom měli měřit sílu, kterou pole působí na vodič, když jím teče elektrický proud. Místo toho budeme vodič držet pevně v ruce a měřit reakci síly – sílu působící na magnet. To provedeme tak, že magnet položíme na digitální váhu. Vodič musí směřovat vodorovně, kolmo na magnetickou indukci, která musí směřovat rovněž vodorovně. Změna údaje váhy vlivem magnetické síly od proudu 1 A je řádově 1 g. Je snadné si očekávaný výsledek předem spočítat z délky vodiče v mezeře, vyjdeme-li z odhadu, že v mezeře mezi neodymovými magnety je pole asi 0,5 T.

Plastová čočka se dá snadno objednat nebo získat rozebráním starého zpětného projektoru. Má větší rozměr, než je vzdálenost očí člověka, a proto při pohledu na skutečný obraz předmětu dochází vlivem stereoskopického vidění k silné iluzi, že vidíme objekt vznášející se ve vzduchu. Klam se zdůrazní, když budeme zobrazovat asi 10 cm velký předmět silně osvětlený na černém pozadí a uspořádáním nutit k pohledu ve směru optické osy. Na obr. 3 je krabice s Fresnelovou čočkou, v přední stěně velký otvor na pozorování (není na fotografii vidět), předmět musí být v uzavřené krabici nasvícen např. LED svítilnou. Vhodné je optické zvětšení blízké 1. Při předvádění je vhodné studentům zdůraznit, že pozorují skutečný obraz, který vzniká na opačné straně čočky, než je předmět (a je proto převrácený). Bylo by možné zachytit jej na matnici v místě, kde jej pozorujeme. Iluze objektu před krabicí svádí studenty označovat tento obraz za zdánlivý.

Elektronická ochrana zboží

Nejlevnější používaná ochrana výrobků proti krádeži v obchodních domech je pouhý LC obvod z plošné cívky, který, když jej vybudíme elektromagnetickým pulzem, kmitá na frekvenci přibližně 10 MHz. Tyto kmity může zachytit detekční bezpečnostní rám v obchodě. Pokud máme paměťový osciloskop, můžeme funkci snadno předvést: snímání zajistíme smyčkou nakrátko na sondě osciloskopu volně přiloženou k obvodu a elektromagnetický pulz vytvoříme tak, že v blízkosti zkratujeme vývody kondenzátoru 15 nF nabitého z ploché baterie (obr. 4). Protože zkratování vývodů dotekem není přesně reprodukovatelné, je vhodné pro optimální výsledek pulz 2 – 3krát zopakovat. K tomu je výhodné kondenzátor připojit trvale k baterii přes odpor 1 kΩ a dotýkat se jeho vývody o sebe. Nabíjení kondenzátoru mezi pulzy proběhne přes odpor. Zachycené oscilace jsou na obr. 5.

Literatura

[1] http://www.wondermagnet.com/experiments.html (cit. 24. 10. 2010)

[2] http://kdf.mff.cuni.cz/hrastice/2007/MiniprojektyVoda_Hrastice2007.pdf (cit. 24. 10. 2010)