Několik demonstračních pokusů z magnetismu

Karel Rauner

Popsané pokusy mají společné téma – magnetismus. Prvních pět má kromě toho společného autora – bývalého, dnes již zemřelého technika katedry obecné fyziky – pana Kalaše. Na několik z popsaných principů bylo uděleno autorské osvědčení.

1. Demonstrace Lorentzovy síly

Na permanentním magnetu jsou z kuprextitu vytvořené koleje ve tvaru dvou mezikruží. Ke kolejím je připojena plochá baterie a po kole­jích vytrvale krouží model vláčku, tvořený jedinou mosaznou nápravou – obr. 1. Pokusem tak demonstrujeme Lorentzovu sílu: ojnicí ná­pravy protéká proud kolmo k indukčním ča­rám, proto na ni působí síla, která jej stále po­hání vpřed. Zjistíme-li magnetkou orientaci magnetu, můžeme demonstrovat i platnost pravidla levé ruky.

2. Elektrolytický motor

Dalším pokusem, který kromě demonstrace Lorentzovy síly ukazuje i směr proudu uvnitř zdroje, je experiment s elektrolytickým motorem. Na válcovém magnetu je umístěna kádinka s malým množstvím roztoku kyseliny sírové (v koncentraci pro olověné akumulátory). Na kyselině plave loďka ve tvaru nízkého válce, kterou můžeme vytvořit například ze dna plastové láhve. Na dně loďky je nalepeno měděné mezikruží, v jehož středu je vletován zinkový kotouč (obr. 2). Při ponoření loďky do kyse­liny tak uzavřeme zkratovaný obvod s Voltovým článkem. Vnějším obvo­dem tohoto článku je zkrat mezi mě­děným mezikružím a zinkovým ko­toučem. Protože měď je kladným pó­lem Voltova článku, proud v kovo­vém dnu loďky směřuje od krajů do středu. V elektrolytu protéká proud opačným směrem, od středu (Zn) k okraji (Cu). Pokud je horní strana magnetu severním pólem, roztáčí Lorentzova síla loďku ve směru proti pohybu hodinových ručiček (při pohledu shora), elektrolyt se roztáčí opačným směrem – ve směru pohybu hodinových ručiček. Směr pohybu elektrolytu zjistíme podle pohybu drobných nečistot, které se do elektrolytu uvolňují z elektrod.

Poznámka: Vzhledem k nehomogenitě pole permanentního magnetu jsou na vnitřní straně dna loďky nalepeny kousky magnetofonového pásku, které zajišťují stabilní polohu loďky uprostřed kádinky.

3. Motor s Curieovým bodem

Látka feromagnetická se mění v látku paramagnetickou při teplotě, která je pro každé feromagnetikum jiná a které se říká Curieův bod. Jestliže máme k dispozici feromagnetický drát s níz­kou Curieovou teplotou, můžeme zkon­struovat motor, který bude popsanou vlastnost feromagnetik názorně demon­strovat. Drát je naletován na obvodu kotouče (obr. 3), který se může otáčet ko­lem svislé osy hřídele uloženého v hro­tových ložiscích. V blízkosti drátu je umístěn permanentní magnet, v jehož blízkosti je drát zahříván kahanem. Zahřeje-li se drát nad Curieův bod, přitahuje magnet více část drátu na opačné stra­ně, než je umístěn kahan a kotouč se pootočí. Při dostatečně silném kahanu lze při použití kvalitních ložisek dosáhnout plynulého otáčení.

4. Přerušovač s Curieovým bodem

Feromagnetiky s nízkým Curieovým bodem jsou i některé odporové slitiny. Toho je možné využít u patrně nejjednoduššího přerušovače elektrického proudu. Pružný odporový drát je umístěn na držáku a na konci opatřen kvalitním kontaktem. Kli­dová poloha drátu je v pozici přerušeného kontaktu (obr. 4). Když se do podstavce držáku zasune permanentní magnet, drát, který je feromagnetický, se přitáhne k magnetu a spojí tak kontakty. Obvodem bude protékat proud, který rozsvítí žárovku a zároveň ohřívá odporový drát. Vzroste-li teplota drátu nad jeho Curieův bod, drát pře­stane být přitahován k magnetu a pružností se vrátí do klidové polohy, kontakty se přeruší. Drátem neprotéká proud, proto chladne. Klesne-li teplota pod Curieův bod, drát se opět přitáhne k magnetu a celý děj se opakuje.

5. Kyvadlo s Curieovým bodem

Na podobném principu jako přerušovač z předchozího pokusu pracuje i kyvadlo poháněné plynem (obr. 5). Kyvadlo má na konci kousek drátu s nízkým Curieovým bodem. Během jednoho kmitu se drát dostatečně ochladí na to, aby byl přitahován permanentním magnetem. V jeho blízkosti však hoří plynový plamen, proto se drát ohřeje nad Curieův bod a při zpětném kyvu se pohybuje volně. Protože síla magnetu působí pouze v jednom směru pohybu, dodává kyvadlu energii potřebnou k netlumeným kmitům.

6. Demonstrace magnetického záznamu signálu

Informace všech druhů (text, řeč, hudba, nehybný i pohyblivý obraz, programy po­čítačů, soubory dat, apod.) se dnes přenášejí a zpracovávají ve formě signálů. Nejčastějšími fyzikálními veličinami, používanými jako signály, jsou elektrické napětí, elektrický proud, intenzita světla, intenzita nebo frekvence elektromagnetického vl­nění. Pro uchování informace přenášené signálem jsou vhodné veličiny magnetické, mechanické a optické.

Dnes se nejčastěji používá magnetického záznamu analogového i digitálního signálu. Přestože je magnetický záznam již běžnou součástí života, žáci základních ani středních škol se s principem této metody prakticky neseznamují. Pochopení základních jevů, uplatňovaných při magnetickém záznamu a reprodukci (snímání), je přitom poměrně snadné a je v možnostech dětí i na základní škole.

Potřebnými pomůckami k následujícím pokusům jsou: ocelové měřítko nebo pásmo, tyčový magnet, magnetická střelka (kompas), cívky 600 a 12 000 závitů ze soupravy rozkladného transformátoru, přímé jádro do těchto cívek, zdroj malého střídavého napětí (školní transformátor, zvonkový transformátor apod.) a galvanoměr nebo měřidlo s velkou citlivostí a nulou uprostřed.

a) Magnetický záznam

Ocelové měřítko představuje v pokusech magnetický nosič – pásek. Ten je možno „nahrát” potíráním v příčném směru permanentním tyčovým magnetem tak, že stří­davě magnetujeme opačnými konci oblasti na měřítku. Samozřejmě, že by bylo možné se více přiblížit realitě tím, že by se pásek zmagnetoval posunováním přes čelo jádra cívky, ve které bychom přepínali polaritu proudu, „záznam“ magnetem je však názornější a poutavější. Způsob provedení pokusu je patrný z obr. 6.

b) Uchování informace

O trvalosti záznamu se můžeme přesvědčit magnetickou střelkou, kterou posouvá­me podél zmagnetovaného měřítka. K jednotlivým oblastem měřítka se střídavě při­tahuje jižní a severní pól magnetky. Je přitom vhodné si jednotlivé oblasti označit popisovačem písmeny S a J. Uspořádání pokusu je patrné z obr. 7.

c) Snímání (reprodukce) záznamu

Informaci, zaznamenanou na pásku, je nyní možné snímat („přehrávat”). Měřítkem pohybujeme pomalu přes čelo jádra vloženého do cívky 12 000 závitů, která je při­pojena k měřidlu. Je-li měřicí přístroj dostatečně citlivý, zjistíme, že každý průchod od S k J indukuje v cívce proud jednoho směru, průchod od J k S proud opačného směru. Optimálním přístrojem k tomuto pokusu, který je zobrazen na obr. 8, je elek­tronický demonstrační voltmetr s rozsahem -150 mV až +150 mV. V případě nouze stačí i ručkový mikroampérmetr s rozsahem -50 μA až +50 μA. Použijeme-li k zmagnetování velmi silného permanentního magnetu (feritového), je možné pozorovat výchylky i na školním demonstračním přístroji s rozsahem -2 mA až 2 mA. Cívku 12 000 závitů je pak vhodné nahradit cívkou s 1 200 závity.

d) Mazání záznamu

Záznam lze smazat protažením měřítka cívkou 600 závitů, která je připojena k zdroji malého střídavého napětí (6 V, 50 Hz) – obr. 9. O smazání záznamu je možné se přesvědčit jednak magnetickou střelkou, jednak „přehráním” na cívce 12 000 závitů.

Volbou různých rychlostí posunování měřítka při snímání lze ukázat závislost velikosti indukovaného napětí na rychlosti změny magnetického toku a dokázat tím, že magnetická hlava je rychlostní magnetoelektrický měnič. V zájmovém kolektivu toho pak lze využít k odůvodnění nutnosti používání kmitočtových korekcí při snímání. Volbou menších vzdáleností zmagnetovaných oblastí na měřítku je také možné ukázat hranici hustoty záznamu a odůvodnit vliv záznamové rychlosti na kvalitu elektroakustického signálu.