Twoja wyszukiwarka

PAWEŁ GÓRNICKI
CIEKAWE DOŚWIADCZENIA
Wiedza i Życie nr 3/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 3/1996

Dziś kolejna seria prostych doświadczeń. Każde z nich ilustruje pewne ciekawe zjawisko fizyczne, chociaż nie mają one ze sobą żadnego związku. Mam nadzieję, że różnorodność doświadczeń wynagrodzi brak myśli przewodniej i każdy znajdzie"coś dla siebie".


Ryc. 1

Zacznijmy od domen magnetycznych. Wszyscy wiemy, że pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego niektóre materiały, tzw. ferromagnetyki (np. żelazo), ulegają silnemu namagnesowaniu. Zjawisko ferromagnetyzmu jest dość złożone i omówimy je tutaj w dużym skrócie. Zawarte we wszystkich materiałach elektrony oprócz ładunku elektrycznego mają moment magnetyczny, co oznacza, że zachowują się jak mikroskopijne magnesy. Zazwyczaj jednak są one ustawione w różnych kierunkach, a ich pola znoszą się wzajemnie. W ferromagnetykach jest inaczej: sytuacja, w której momenty magnetyczne (kierunki "namagnesowania")elektronów w sąsiadujących ze sobą atomach ustawione są zgodnie, jest korzystna energetycznie. W rezultacie pojawiają się mikroskopijne obszary, na których wszystkie momenty magnetyczne wspomnianych elektronów ustawione są w tym samym kierunku. W obszarach tych, nazywanych domenami magnetycznymi, samoistnie występuje pewne pole magnetyczne.

Ryc. 2

W makroskopowym kawałku ferromagnetyka występuje bardzo dużo takich domen. Sąsiadują one ze sobą, przy czym w każdej z nich kierunek pola magnetycznego może być inny. Jeśli wszystkie kierunki namagnesowania domen występują jednakowo często, to materiał jako całość nie jest namagnesowany.

Załóżmy, że do takiego nie namagnesowanego kawałka ferromagnetyka przyłożyliśmy zewnętrzne pole magnetyczne. Co się dzieje? Otóż domeny, których namagnesowanie jest zgodne z kierunkiem przyłożonego pola magnetycznego, zaczynają rosnąć. Wzrost odbywa się kosztem sąsiednich domen - po prostu momenty magnetyczne elektronów w atomach leżących na granicy domen przyjmują kierunek zgodny z namagnesowaniem domeny rosnącej. Proces rozrostu nie jest jednak ciągły dlatego, że w sieci krystalicznej ferromagnetyka występuje wiele niedoskonałości- defektów. Z ich powodu przy ciągłym zwiększaniu zewnętrznego pola magnetycznego namagnesowanie ferromagnetyka będzie rosnąć skokowo. Taki skokowy charakter procesu magnesowania można łatwo zaobserwować.

Ryc. 3

W tym celu na stalową śrubę nawijamy cewkę złożoną z kilkuset zwojów drutu emaliowanego (emalia jest izolacją) o średnicy 0.1 mm (ryc. 1). Cewkę łączymy ze wzmacniaczem akustycznym wykorzystując wejście dla gramofonu z wkładką magnetyczną (inne tory mają zbyt małe wzmocnienie). Do śruby przysuwamy silny magnes. Przy zbliżaniu magnesu w głośniku powinien pojawić się charakterystyczny szum. Skokowy wzrost kolejnych domen wywołuje zmiany pola magnetycznego indukujące w cewce kolejne krótkie impulsy prądu, które po wzmocnieniu odbierane są jako szum. Ponieważ doświadczenie wymaga silnego wzmocnienia sygnału, trzeba starannie wyeliminować wszystkie zakłócenia. Śrubę z cewką trzeba zaekranować za pomocą folii aluminiowej, a połączenie ze wzmacniaczem musi być wykonane przewodem ekranowanym (ekran połączony z masą).

Jeśli już mowa o indukcji magnetycznej, to warto opisać jeszcze jedno doświadczenie. Bierzemy aluminiowy talerz (nie może zawierać żadnych elementów żelaznych) i kładziemy go na powierzchni wody. Nisko nad pływającym talerzem umieszczamy zawieszony na skręconym sznurku magnes (ryc. 2). Kierunek pola magnetycznego powinien być równoległy do płaszczyzny talerza. Ciągnąc za końce sznurka wprawiamy magnes w szybki ruch obrotowy. Po chwili również talerz zacznie się obracać. Ruch talerza nie jest bynajmniej wywołany prądami powietrza. Można się o tym przekonać, zastępując talerz aluminiowy plastikowym.

Obracające się pole magnesu indukuje w aluminium prąd elektryczny. Prąd ten wytwarza własne pole magnetyczne, które oddziałuje z magnesem. W wyniku tego na talerz działa pewien moment siły, wywołując obrót.

Ryc. 4

W kolejnym doświadczeniu cofniemy się z epoki elektryczności do wieku pary- zbudujemy prostą maszynę parową służącą do pompowania wody. Nie ma ona żadnych części ruchomych. Składa się z mosiężnej rurki o niewielkim przekroju (średnica wewnętrzna ok. 1 mm), butelki z tworzywa sztucznego zawierającej wodę oraz odbieralnika (ryc. 3). Na pewnym odcinku rurka zwinięta została w helisę o średnicy ok. 1 cm (najłatwiej jest to zrobić owijając rurkę wokół długopisu).

Pod zwinięty odcinek rurki podstawiamy zapaloną świeczkę. Początkowo poziom wody w rurce jest taki sam jak w butelce (naczynia połączone). Jednak po chwili woda zawarta w podgrzewanym odcinku zacznie wrzeć zmieniając się w parę. Ciśnienie rozszerzającej się pary wypchnie wodę z prawej części rurki do znajdującego się u góry naczynia. Po wypchnięciu wody ciśnienie w rurce spada, co umożliwia napływ nowej wody z butelki i wszystko zaczyna się od początku. Jak widać, nasza maszyna działa cyklicznie, jak przystało na prawdziwy silnik. Rolę czynnika roboczego i tłoka spełnia sama pompowana woda. Zauważmy, że w chwili wrzenia ciśnienie pary działa także na wodę w lewej części rurki, popychając ją z powrotem do butelki. Urządzenie trzeba ustawić w taki sposób, aby woda w prawej części ulegała wypchnięciu zanim para utoruje sobie drogę po lewej stronie. Może to wymagać prób.

Na podobnej (ale nie identycznej) zasadzie działa dobrze znany, "impulsowy"silnik odrzutowy do napędu maleńkiej łódki (ryc. 4). Wykonałem ją z niewielkiego kawałka grubej, polakierowanej sklejki (dla lepszego efektu warto użyć balsy). Nie wolno zapomnieć o kilu.

W tylnej części łódki wywierciłem w dnie symetrycznie dwa małe otwory. Środkową część dwudziestocentymetrowego odcinka mosiężnej rurki (takiej jak w poprzednim doświadczeniu) zwinąłem w helisę. Oba końce rurki wyprowadziłem przez wywiercone otwory i zagiąłem w kierunku rufy. Średnica otworów powinna być tak dobrana, aby po wsunięciu rurka nie przesuwała się. Połączenie można wzmocnić żywicą epoksydową.

Przed rozruchem rurkę należy wypełnić wodą (przez zassanie). Aby potem woda się nie wylała zatykamy jeden koniec rurki palcem. Teraz łódkę kładziemy na wodzie i pod zwinięty odcinek rurki wstawiamy świeczkę. Po chwili woda zawarta w tym odcinku zagotuje się. Ciśnienie wypchnie pozostałą część wody na zewnątrz, a łódka - na zasadzie odrzutu - popłynie do przodu.

Wydawać by się mogło, że od tej chwili nie nastąpi już nic ciekawego. W rurce nie ma już więcej wody, która mogłaby się zagotować. Sytuacja nie jest jednak stabilna, ponieważ rurka wypełniona jest parą wodną. Jeśli do wnętrza przedostanie się choć odrobina zimnej wody z zewnątrz, to ciśnienie pary spadnie. Z kolei spadek ciśnienia spowoduje zassanie następnej porcji wody, wywołując dalsze ochłodzenie. W końcu temperatura będzie na tyle niska, że para skropli się, cała rurka zostanie wypełniona wodą i cykl zaczyna się na nowo.