Dokáže sa batéria s magnetmi pohybovať sama cez medenú cievku ako vlak v hyperloope? Tento jednoduchý magnetický experiment vás presvedčí, že áno. Stačí niekoľko bežne dostupných pomôcok, silné neodýmové magnety a trochu zvedavosti. Ukážeme vám, ako si zostaviť vlastný magnetický hyperloop a zároveň pochopiť, ako elektrický prúd, magnetické pole a Lorentzova sila vytvárajú pohyb bez motora.
Minule sme skúšali vytvoriť maglev z plastových kociek a magnetov, zisťovali sme, koľko mincí dokáže udržať silný feritový magnet a ešte predtým sme zostavili magnetický Eulerov disk.
Dnes si vyrobíme magnetický hyperloop – malý vozík, ktorý sa pohybuje drôteným tunelom.
Na magnetický experiment budete potrebovať:
- jednoduchý viazací medený drôt bez izolácie, priemer 1 mm, dĺžka aspoň 7 metrov (zoženiete ho napríklad v hobby marketoch),
- plastovú trubku alebo drevenú tyčku s priemerom 16 mm a dĺžkou približne pol metra,
- 1 tužkovú AA batériu 1,5 V alebo nabíjateľný AA akumulátor 1,2 V,
- 2 kotúčové neodýmové magnety KT-15-10-N s axiálnou magnetizáciou (na rovných plochách), priemer magnetu 15 mm, výška 10 mm,
- pre jednoduchšiu prácu aku vŕtačku, niekoľko montážnych svoriek, izolačnú pásku, pracovný stôl alebo dosku, prípadne aj spájkovačku a cín.
Postup realizácie experimentu
1) Naviňte medenú cievku
Aby sa mal hypervozík kadiaľ pohybovať, postavte mu dráhu. Naviňte medený drôt na trubku alebo tyčku a vytvorte cievku. Drôt môžete navíjať ručne, no rýchlejšie to ide pomocou aku vŕtačky a jednoduchého prípravku:
Do jedného konca tyčky s priemerom 16 mm zaskrutkujte vrut, pričom naň ešte predtým navlečte niekoľko matíc. Tyčka potom bude lepšie držať upnutá v skľučovadle aku vŕtačky.
Info: Prečo práve tyčka s priemerom 16 mm? Aby ste neurobili rovnakú chybu ako my. Najprv sme cievku navinuli na drevenú tyčku s priemerom 15 mm a mylne sme sa domnievali, že sa „trochu roztiahne“. Neroztiahla sa. Batéria sa do cievky zmestila, ale magnety o ňu drhli. Preto je lepšie vytvoriť vozíku trochu priestoru a zvoliť vnútorný priemer cievky o 1 mm väčší, než je priemer použitých magnetov.
Aku vŕtačku s upnutou tyčkou pripevnite k pracovnému stolu, napríklad pomocou montážnej svorky. Druhý koniec tyčky voľne zafixujte pomocou ďalších svoriek, aby sa pri otáčaní príliš nerozkýval do strán.
Začiatok medeného drôtu prilepte izolačnou páskou k začiatku tyčky alebo trubky. Zapnite aku vŕtačku a pomaly naviňte celý drôt na tyčku, pekne závit vedľa závitu. V našej ukážke sme použili 7-metrový medený drôt s priemerom 1 mm, ktorý vystačil približne na 14 cm dlhej cievky. Neskôr sme pridali ešte ďalší podobne dlhý kus drôtu.
Tip: Ak chcete mať dráhu dlhšiu, môžete konce dvoch alebo viacerých drôtov spojiť cínom pomocou spájkovačky a navinúť ich naraz, prípadne ich spájkovať až po navinutí. Cín na medi drží výborne. Alebo si jednoducho zaobstarajte dlhší drôt.
Po navinutí cievku zosuňte z tyčky, položte ju na pracovný stôl. Závity sa od seba samy mierne vzdialia. Dráha je pripravená.
2) Zostavte elektromagnetický hypervozík
Zostavenie vozíka je jednoduché. Na každý pól tužkovej batérie prichyťte jeden magnetický kotúč. Jeho priemer by mal byť o 1 mm menší ako vnútorný priemer cievky, aby sa v nej mohol voľne pohybovať.
Pozor na magnetické póly
Záleží na tom, ktorými pólmi magnety k batérii prichytíte, pretože to ovplyvní smer pohybu vozíka. Prvý magnet prichyťte severným pólom (N) k plusovému pólu batérie. Druhý magnet prichyťte k mínusovému pólu batérie taktiež severným pólom (N). Prípadne môžete oba magnety k batérii prichytiť južnými pólmi (S), čím sa zmení smer pohybu vozíka.
Môže sa hodiť: Ako zistiť a využiť severný a južný pól?
3) Vsuňte vozík do tunela
Dráha je pripravená, vozík zostavený. Vsuňte ho do tunela. Ak ste všetko urobili správne, rozbehne sa. Ak sa nepohne, skúste vozík jednoducho otočiť. Podarilo sa?
4) Zistite, prečo sa batéria s magnetmi pohybuje
Teraz je čas zistiť, aké záhadné sily uviedli vozík do pohybu a prečo je potrebné použiť práve batériu s magnetmi. Poďme si to vysvetliť.
Magnetický vozík poháňa Lorentzova sila
Batéria s magnetmi sa pohybuje preto, že magnety vytvárajú magnetické pole. Keď sa magnety dotknú cievky, uzavrie sa elektrický obvod a batéria začne dodávať elektrický prúd do cievky.
Keď prúd prechádza cievkou v prítomnosti magnetického poľa, vzniká sila, ktorá začne batériu s magnetmi posúvať. Celý jav je spôsobený interakciou medzi magnetickým poľom magnetov a elektrickým prúdom pretekajúcim cievkou.
Pozrite si video:
Teraz ešte trochu podrobnejšie
1) Magnety a batéria
Na oboch póloch batérie sú pripevnené silné neodýmové magnety. Tieto magnety vytvárajú magnetické pole, ktoré je nevyhnutné na vznik pohybu v cievke.
2) Cievka
Cievka je vytvorená z vodiča (drôtu), ktorý je navinutý do špirály. Keď vložíte batériu s magnetmi do cievky, magnetické pole magnetov začne ovplyvňovať elektróny vo vodiči cievky.
3) Elektrický prúd
Batéria dodáva elektrický prúd, ktorý preteká cievkou. Hneď ako sa magnety dotknú cievky, póly batérie uzatvoria elektrický obvod prostredníctvom magnetov.
Elektrický prúd následne prechádza vodičom a pri prechode magnetickým poľom, ktoré vytvárajú magnety pripojené k batérii, dochádza k dôležitej interakcii.
4) Lorentzova sila
Keď cievkou preteká elektrický prúd a zároveň sa nachádza v blízkosti magnetického poľa vytvoreného magnetmi, vzniká Lorentzova sila. Ide o silu, ktorá pôsobí na elektrický prúd v magnetickom poli.
Lorentzova sila pôsobí kolmo na smer prúdu aj na smer magnetického poľa. Keďže cievka tvorí špirálu okolo batérie, výsledkom pôsobenia tejto sily je posúvanie celého vozíka dopredu. Lorentzova sila tak tlačí batériu spolu s magnetmi vpred vnútrom cievky.
5) Pohyb vozíka
Výsledkom je, že sa batéria s magnetmi začne sama pohybovať vpred vo vnútri cievky. Magnety vytvárajú magnetické pole, cievkou preteká elektrický prúd a vďaka tomu vzniká Lorentzova sila, ktorá pohyb spôsobuje.
Keď vozík vyjde z cievky, elektrický obvod sa preruší, Lorentzova sila zanikne a vozík sa zastaví.
Potom stačí vozík otočiť a môže sa z druhej strany cievky vydať na cestu späť. Takto bude jazdiť dovtedy, kým sa batéria nevybije.
V záujme zachovania jednoduchosti experimentu si ďalšie zaujímavé tipy a postrehy necháme do niektorého z budúcich článkov o magnetických pokusoch. Pozrieme sa napríklad na to, či by experiment fungoval aj s iným materiálom vodiča alebo s inými typmi magnetov.
Vyskúšajte aj ďalšie magnetické zaujímavosti a experimenty.
