Ocena użytkowników: 0 / 5

Gwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywna
 

W artykule dotyczącym historii magnetyzmu wspominam o Petrusie Peregrinusie, który to badał zjawiska magnetyczne. W tym zestawie eksperymentów przyjrzymy się w jaki sposób odkryto biegunowość i zasady rządzące w świecie magnesów. Doświadczenia te nie będą spektakularne ani trudne a ich rolą będzie wcielenie się w średniowiecznego badacza celem nauczenia się planowania eksperymentów i wyciągania wniosków  z przeprowadzanych prób.

 

Pierwszy eksperyment, a właściwie seria trzech eksperymentów będzie dotyczyła działania magnesu na przedmioty żelazne. Potrzebujemy do nich magnesu, nitki oraz krótkich gwoździ. Pytania, na jakie chcemy odpowiedzieć to:

  1. Czy magnes zawsze przyciąga gwoździe?
  2. Jak zmienia się siła przyciągania magnesu z odległością?
  3. Jak zachowują się gwoździe przyczepione do magnesu względem innych gwoździ?
  4. Jak zachowują się gwoździe względem siebie bez obecności magnesu?

Na stole kładziemy magnes. Na nitce zawieszamy gwóźdź. Trzymając nitkę tak aby gwóźdź znajdował się nad samym blatem stołu powoli zbliżamy gwóźdź do magnesu i obserwujemy zachowanie gwoździa na nitce. Możemy zauważyć, że przy zbliżaniu gwoździa, nitka odchyla się od pionu. Jest to najprostszy sposób określenia, że działa jakaś siła. Jakikolwiek gwóźdź powiesimy, zawsze będzie on przyciągany przez magnes. I czym bliżej magnesu jesteśmy, tym silniej odchyla się nitka. Czym mniejsza jest odległość od magnesu tym większą siłą on przyciąga. Teraz do magnesu możemy przyczepić główką jeden gwóźdź ułożony poziomo. Zobaczmy jak gwóźdź na nitce będzie się zachowywał podczas zbliżania do gwoździa przy magnesie. Efekt przyciągania jest znacznie słabszy ale zauważalny. Gwóźdź zachowuje się jak magnes. Odczepmy teraz gwoździa od magnesu i sprawdźmy czy nadal potrafi przyciągać gwoździa na nitce. Gwoździe wykonane są z żelaza czyli tzw. ferromagnetyku miękkiego. Oznacza to, że w zewnętrznym polu magnetycznym (tutaj polu magnesu) gwóźdź sam staje się magnesem i po zaniku pola zewnętrznego (tutaj usunięcie magnesu) przestaje być magnesem i nie przyciąga już drugiego gwoździa.

 

Ilustracja do pierwszej serii doświadczeń

 

 

Kolejna seria doświadczeń będzie związana z oddziaływaniem pomiędzy magnesami. Potrzebujemy do nich trzech magnesów, najlepiej o kształcie kostki. Pytania, na jakie chcemy odpowiedzieć to:

  1. Czy magnesy zawsze się przyciągają?
  2. Jak zachowują się magnesy podczas zbliżania do siebie?
  3. Jak ustawiają się magnesy podczas zbliżania?
  4. Czy magnesy zawsze zmieniają orientację podczas zbliżania?
  5. Czy wszystkie ścianki magnesów działają na ścianki drugiego magnesu z taką samą siłą?
  6. Ile kierunków magnesu jest szczególnych?
  7. Skąd wiemy ile biegunów ma magnes?
  8. Skąd wiemy jak oddziałują na siebie magnesy ustawione odpowiednimi biegunami?

Przejdźmy teraz do praktyki. Magnesy musimy oznaczyć, na przykład przy pomocy kolorowych kropek. Następnie ich ścianki numerujemy od 1 do 6 podobnie jak kostki do gry. Numery ścianek przeciwległych w kostkach mają dawać sumę 7. Wszystkie kostki powinny mieć ścianki ponumerowane podobnie, nie ma to wpływu na eksperyment ale pozwala zachować porządek i ułatwia uporządkowanie wyników. Następnym krokiem jest jest testowanie zachowania magnesów. Testowanie będzie polegać na sprawdzaniu co dzieje się z leżącym swobodnie magnesem kiedy zbliżamy do niego drugi magnes. W tym celu najpierw musimy stworzyć trzy tabele dla każdej z trzech możliwych par magnesów (1-2, 1-3, 2-3). Tabele muszą mieć tyle wolnych kolumn i wierszy ile jest ścianek magnesu a więc 6x6. Wiersze i kolumny numerujemy od 1 do 6 i zapisujemy, które magnesy testujemy. Umawiamy się, że wiersze dotyczą ścianek magnesu leżącego, a kolumny ścianek magnesu zbliżanego.

 

Tabela, wykonanie zbliżania oraz obrotów

 

Na rysunku symbolicznie oznaczone są ścianki którymi to zbliżamy do siebie magnesy, musimy wykonać test dla wszystkich kombinacji ustawień czyli po 36 dla każdej pary magnesów. Do ustawionego odpowiednią ścianką magnesu nieruchomego zbliżamy drugi magnes również ustawiony w odpowiedniej pozycji. Obserwujemy czy magnes będzie przyciągany, odpychany czy próbuje się obrócić. Ważne jest również wyczucie w ręce. Jeżeli magnes jest odpychany lub przyciągany to obracamy go względem osi, w której leżą magnesy o 180 stopni żeby sprawdzić czy w innej pozycji działanie będzie takie samo. Następnie magnesy zbliżamy do momentu, aż się połączą badanymi ściankami(!).

W odpowiedniej komórce tabeli zapisujemy (najlepiej symbolicznie), co działo się podczas zbliżania magnesów i w jakiej pozycji ustawiły się podczas połączenia- czy całą powierzchnią, czy częścią. Szczegółowe notatki powinny pozwolić nam uzyskać 4 rodzaje oddziaływań: zawsze przyciąganie, zawsze odpychanie, połowiczne przyciąganie- magnesy są połączone połowami ścianek, oraz nieokreślone. Ponadto podczas obracania możemy zauważyć trzy rodzaje zachowań: zmiana przyciąganie/odpychanie, brak zmian oraz obrót magnesu. W rezultacie otrzymamy tabelę, w której dwie komórki oznaczone są jako odpychanie, dwie jako przyciąganie oraz po szesnaście komórek dla połowicznego przyciągania i tyle samo dla nieokreślonego. Dodatkowo dla ścianek, które się przyciągają lub odpychają obrót drugiego magnesu nie powoduje zmian w zachowaniu. Ścianki te podczas obrotu w kombinacji ze ściankami prostopadłymi do nich i wymuszają również obrót drugiego magnesu, pozostałe kombinacje ścianek powodują zmianę zachowania z przyciągania na odpychanie i na odwrót. 

Okazuje się, że komórki które się przyciągają oraz odpychają związane są ze ściankami naprzeciwległymi leżącymi na jednej osi, którą nazwiemy po prostu osią główną magnesu. Te ścianki również odpowiadają za przyciąganie połowiczne ze ściankami prostopadłymi do analogicznej osi drugiego magnesu. Nieokreślone (zależne od orientacji) zachowanie dotyczy pozostałych ścianek będących w płaszczyznach równoległych do osi głównej magnesu. Po uporządkowaniu wyników otrzymujemy tabelę wypełnioną jak poniżej. Czerwony kolor oznacza przyciąganie, niebieski odpychanie, zielony połowiczne przyciąganie a łososiowy nieokreślone. Takie same wyniki powinniśmy otrzymać dla wszystkich trzech badanych magnesów.

Kolorowa tabela z posortowanymi wynikami

 

 

Wiemy już, że magnes ma jedną oś główną, punkty na ściankach przez które przechodzi ta oś nazywamy biegunami. Na razie wiemy, że dla pary magnesów dwa bieguny się przyciągają, a dwa odpychają. Ale ile różnych biegunów ma magnes i czy przyciągają się takie same bieguny czy może bieguny, które się różnią? W tym celu potrzebujemy wykonać kolejny eksperyment z trzema magnesami albo wykorzystać dane zebrane w poprzednim eksperymencie. Ponieważ wiemy, które ścianki poszczególnych magnesów się ze sobą odpychały, a które przyciągały możemy stworzyć tabelę w której umieścimy stosowne informacje.

Posortowane wyniki dla trzech magnesów

Z tabeli możemy wywnioskować, że istnieją dwa rodzaje biegunów oraz że różne bieguny się przyciągają, a takie same odpychają. Tak więc bieguny jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają- tradycyjnie mówimy o biegunie północnym i południowym. Należy przy tym pamiętać, że w kompasie bieguny magnetyczne igły wskazują biegun przeciwległy do jej namagnesowania. Połówka igły wskazująca północ jest magnetycznym biegunem południowym, a połówka wskazująca południe jest magnetycznym biegunem północnym. A jak wyglądałaby tabela gdyby bieguny jednoimienne się przyciągały a różnoimienne odpychały? Wbrew pozorom pytanie to ma dużo sensu w dziedzinie magnetyzmu ale na razie pozostanie ono bez odpowiedzi. Polecam zastanowienie się nad tym problemem i uzupełnienie kolejnej tabeli dla takiego niezwykłego przypadku samodzielnie.