Warto przeczytać

W jaki sposób najprościej zbadać, z jakim rodzajem substancji mamy do czynienia: czy reaguje ona na pole magnetycznepole magnetycznepole magnetyczne czy nie. Najprościej można to zrobić zbliżając do badanej substancji magnes i obserwować jej zachowanie. Wynik takiego prostego eksperymentu pokazany jest na fotografiach.

R1Vm1lyUwltwT

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia trzy sytuacje. (od lewej) rys. a. przedstawia wiszący srebrny łańcuszek. Po prawej dłoń (kciuk i palec wskazujący) trzymająca magnes. Magnes nie przyciąga srebrnego łańcuszka. (po środku) rys. b. przedstawia wiszącą złotą bransoletkę. Po prawej dłoń (kciuk i palec wskazujący) trzymająca magnes. Magnes nie przyciąga złotej bransoletki. (po prawej) rys. c. Rysunek przedstawia wiszące korale zrobione z hematytu. Po prawej dłoń (kciuk i palec wskazujący trzymająca magnes. Magnes przyciąga korale z hematytu.

Oczywiście takie badanie zachowania substancji w polu magnetycznympole magnetycznepolu magnetycznym jest bardzo nieprecyzyjne, bo być może widzimy tylko silne efekty a nie widzimy bardzo słabych. I tak właśnie jest. Siłę oddziaływania magnetycznego można mierzyć za pomocą bardzo czułych przyrządów i wtedy dostrzega się subtelne efekty.

Aby mierzyć siłę przyciągania danej substancji przez magnes, używa się specjalnej czułej wagi sprężynowej lub wagi skręceń. Przedstawiamy schematyczny rysunek jednej z takich wag.

R1SGzjl24SV2C

Rys. 2. Na rysunku przedstawiono schemat wagi sprężynowej. W górnej części pokazano uchwyt narysowany w postaci okręgu, na środku którego umieszczono mniejsze koło zębate. Uchwyt oraz koło zębate są współśrodkowe. Z lewej strony koła zębatego pokazano pionowo przymocowany do uchwytu pręt, zamocowany w dwóch miejscach, powyżej i poniżej zębatki. Pręt styka się z kołem zębatym. Zazwyczaj jako pręt stosuje się śrubę lub inny element z wyżłobionymi na powierzchni bocznej rowkami. Dzięki temu możliwa jest regulacja położenia pionowego pręta, poprzez obrót koła zębatego (działa to podobnie do łańcucha rowerowego umieszczonego na zębatce). Do dolnej części pręta przymocowana jest pionowo zwisająca sprężyna, na której drugim końcu widać przywiązaną / przymocowaną probówkę. Sprężyna zwisa wewnątrz cylindrycznej osłonki, narysowanej w przekroju w postaci dwóch prostokątnych ścianek. Cała sprężyna znajduje się wewnątrz osłonki, natomiast zamocowana na jej dolnym końcu probówka umieszczona jest poniżej osłony. Na dnie probówki widoczna jest substancja w postaci czarnego proszku / ziarenek. Dolna część probówki umieszczona jest wewnątrz elektromagnesu, którego fragment narysowano w postaci przekrojonego na pół, grubościennego walca z pustym obszarem w środku. W tym obszarze centralnie umieszczona jest dolna część probówki zawierająca sproszkowaną substancję. Ze środka walca wychodzą zakrzywione na boki czarne, rozbieżne linie, które wyglądają jakby wylewały się z pustej przestrzeni wewnątrz elektromagnesu. Linie te obrazują linie pola magnetycznego. Nie są one równolegle względem siebie, co sugeruje że pole magnetyczne wytworzone przez elektromagnes nie jest jednorodne. Denko probówki, gdzie umieszczona została substancja otoczone jest prostokątem narysowanym przerywaną linią. Ta część probówki znajduje się w centralnej części pustego obszaru wewnątrz elektromagnesu. Obszar ten wskazany jest przy pomocy czerwonej strzałki, nad którą umieszczono informację, że w tym obszarze na substancję działa największa siła wytworzona przez elektromagnes.

Na dole widzimy fragment elektromagnesu. Jest źródłem silnego pola magnetycznego. Wychodzące z niego linie pola są rozbieżne, co wskazuje na silną niejednorodność pola magnetycznego. Jest ona niezbędna – w polu jednorodnym efekt przyciągania albo odpychania nie występuje.

Do obszaru najsilniejszego pola wprowadzony jest zbiorniczek z próbką badanej substancji. Oczywiście przedtem przeprowadzony jest pomiar z pustym pojemnikiem, tak aby wiedzieć, jak działa pole magnetyczne na wszystko inne poza próbką. Wyniki pomiarów różnych substancji mogą wydać się dość zaskakujące.

Okazuje się, że dla bardzo dużej liczby substancji istnieje siła magnetyczna oddziaływania z polem magnetycznympole magnetycznepolem magnetycznym, ale jest ona bardzo mała; stanowi około jednego procenta ciężaru próbki. Co ciekawe, siła bywa zarówno przyciągająca jak i odpychająca; i to niezależnie od kierunku pola magnetycznego! Ważny jest jedynie kierunek wzrastania albo zmniejszania się indukcji magnetycznej.

Te substancje, które wypychane są w kierunku słabszego pola magnetycznego nazwano diamagnetykami. Tak więc diamagnetyki odpychane są przez magnes! Te substancje, które dążą w stronę silniejszego pola magnetycznego to paramagnetyki. Paramagnetyki magnes przyciąga. Jeszcze raz podkreślmy, że obie te siły zarówno odpychania jak i przyciągania mają znikome wartości.

Jednak okazuje się, że na niektóre substancje działa siła wciągająca. Potrafi być nawet  200 000 razy większa niż w przypadku paramagnetyków. Dla takich specjalnych substancji zarezerwowano nazwę ferromagnetyki (od łac. „ferrum” - żelazo, które jest głównym przedstawicielem tej grupy). Dla ferromagnetyków charakterystyczne jest jeszcze to, że po wyjęciu z obszaru pola magnetycznego same wykazują właściwości magnetyczne – wytwarzają wokół siebie pole magnetyczne. Innymi słowy - stają się magnesami.

W tabeli poniżej przedstawiono niektóre wyniki opisanych pomiarów (Dane pochodzą z podręcznika akademickiego „Elektryczność i magnetyzm” – E. M. Purcell, Warszawa 1971, PWN).

Na próbki różnych substancji o masie 3 g każda działa pole magnetyczne o indukcji $B_z=1,8T$ i szybkości zmiany w kierunku osi z $\frac{d{B}_z}{dz}=0,17T/cm$. Oś z ustawiona jest pionowo. Znak siły „+” oznacza, że siła skierowana jest zgodnie z siłą grawitacji $F_g$, znak „-” oznacza przeciwny zwrot siły.

Z tabeli wynika, że diamagnetykami są: woda, miedź, ołów, bizmut, siarka, diament, grafit, chlorek sodu, kwarc, ciekły azot. Do tego należy dodać prawie wszystkie związki organiczne i większość związków nieorganicznych oraz złoto, srebro, cynk, rtęć, gazy szlachetne. Z metali najsilniejsze właściwości diamagnetyczne wykazuje bizmut.

Występujące w tabeli paramagnetyki to: glin (aluminium), sód, chlorek miedzi, siarczan niklu, tlen. Poza tym: chrom, magnez, wapń, molibden, platyna, tytan, wolfram.

Ferromagnetyki pokazane w tabeli to: żelazo, magnetyt (tlenek żelaza FeIndeks dolny 3₃OIndeks dolny 4₄). Poza tym: stal węglowa, żeliwo, ferromagnetyczne stopy np.: ferryty, hematyt (najważniejsza ruda żelaza FeIndeks dolny 2₂OIndeks dolny 3₃, $\alpha$-FeIndeks dolny 2₂OIndeks dolny 3₃), kobalt, nikiel, gadolin.

Oczywiście powyższe zestawienie nie obejmuje wszystkich substancji z danej grupy, jedynie te najbardziej reprezentatywne.

Słowniczek

magnes neodymowy

magnes neodymowy

(ang.: neodymium magnet) - magnes trwały (magnes stały) wytwarzany z połączenia neodymu, żelaza i boru o składzie NdIndeks dolny 2₂FeIndeks dolny 14₁₄B. Produkowany jest metodami metalurgii proszków, czyli prasowania sproszkowanych komponentów w polu magnetycznym w podwyższonej temperaturze. Magnesy te wytwarzają bardzo silne pole magnetyczne, co przekłada się na dużą siłę przyciągania.

RYFyeaqoTlAlz

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia dwa magnesy neodymowe, leżące jeden na drugim. Przed magnesami (na pierwszym planie) leży zapałka. Czerwony łepek z siarką skierowany jest w lewo.