Levitující železo
Pomůcky: Kruhový magnet z reproduktoru, korková zátka, plastová trubička, skleněná tyčinka, železná tyčinka, železná trubička, železné pilinky pro znázornění průběhu magnetických indukčních čar.
Na feromagnetickou látku v magnetickém poli působí magnetická síla ve směru, ve kterém v daném místě nejprudčeji roste magnetická indukce. Že to nemusí být nutně směrem k magnetu ukazuje následující experiment.
Připravíme si kruhový feritový magnet z reproduktoru nebo magnetronu z mikrovlnné trouby. Tento magnet má tvar nízkého dutého válce. Severní a jižní pól jsou v základnách. Do jeho osy upevníme skleněnou nebo plastovou trubičku.Třeba tak, že ji vetkneme do korkové zátky. Do ní vložíme krátkou železnou tyčinku tak asi 3 x 30 mm. Třeba šroub nebo kus hřebíku. Pokud nebude třecí síla bránit v pohybu, tyčinka zaujme jednu ze dvou typů stabilních poloh. Vždy jde o polohu s lokálním minimem energie. Hlavní minimum a tedy základní stabilní poloha je v centru magnetu. Další se nachází několik centimetrů nad rovinou základny magnetu.
Obr. 1: Levitující šroub nad magnetem
Umístíme do této polohy tyčinku. Při orientaci magnetu s osou do svislé polohy se tyčinka v trubičce vznáší. Posouváme-li trubičkou, tyčinka zůstává ve své poloze. Pro stabilitu tyčinky postačí omezit osovou polohu trubičkou pouze u dolního konce. Toto působí zvlášť efektně.
Místo trubičky s feromagnetickou tyčinkou, můžeme do osy magnetu umístit úzkou zkumavku s feromagnetickou kapalinou. Ve vodorovné poloze má pak hladina kapaliny dvě výrazná vzdutí v obou stabilních polohách.
Místo tyčinky v trubičce lze také na neferomagnetickou tyčku (dřevěnou, skleněnou, Al nebo Cu drát) navléknout železnou trubičku. Bude se chovat stejným způsobem.
Obr. 2: Železná trubička se vznáší nad kruhovým magnetem. Jejím středem procházi tenká skleněná tyčinka, která umožňzuje pohyb trubičky pouze ve svislém směru.
Obr. 3: Železná trubička vznášející se pod kruhovým magnetem
Obr. 4: Přibližný náčrtek řezu magnetického pole vytvářeného kruhovým magnetem ve svislé rovině.
Vysvětlení spočívá v průběhu magnetických indukčních čar v okolí magnetu. Magnet má póly v základnách a uprostřed válcový otvor. Indukční čáry vedou z jedné základny ke druhé. Z větší části vedou okolo magnetu. Menší část prochází vnitřním otvorem.
To nutně znamená, že na ose magnetu se v určitém bodě mění orientace magnetického pole. V tomto místě je velikost magnetické indukce pole nulová. S rostoucí vzdáleností indukce nejprve roste a po dosažení maxima klesá. Na feromagnetickou látku působí síla ve směru největšího nárůstu hustoty magnetických indukčních čar.Feromagnetický materiál je tedy "vtahován" do míst, kde je silnější pole. Proto třeba tyčový magnet přitahuje hřebíky.
Tyčinku umístíme do prostoru na ose mezi místo s nulovou a maximální hodnotou magnetické indukce. Na tyčinku působí magnetická síla směřující do místa s největší hustotou indukčních čar.
Směr indukčních čar můžeme znázornit pilinovými obrazci v různých výškách nad horní základnou magnetu.
Obr .5: Pilinový obrazec v těsné blízkosti povrchu kruhového reproduktorového magnetu
Obr .6: Pilinový obrazec 0,5 cm nad povrchem kruhového reproduktorového magnetu
Obr .7: Pilinový obrazec 1 cm nad povrchem kruhového reproduktorového magnetu
Obr .8: Pilinový obrazec 1,5 cm nad povrchem kruhového reproduktorového magnetu
Obr .9: Pilinový obrazec 3 cm nad povrchem kruhového reproduktorového magnetu
Při měření magnetické indukce v ose magnetu pomocí školního demonstračního přístroje LMMI (Lineární měřič magnetické indukce) jsme zjistili, že magnetická indukce 3 mm nad podstavou magnetu má okolo 10 mT, v 8 mm je nulová a maxima 15 mT dosahuje asi 2,5 cm nad magnetem.
V místě, kde je magnetická indukce nulová, se mění její směr.