Gwóźdź owiniętym drutem i podłączony do baterii staje się magnesem, który przyciąga spinacze. Odłącz baterię – i magia znika. To podstawa każdego silnika elektrycznego na świecie.

Co nam będzie potrzebne?

⚠️ Uwaga: Nie używaj baterii 9 V ani ładowarki sieciowej – przy zbyt dużym napięciu drut nagrzewa się niebezpiecznie. Bateria 1,5 V jest bezpieczna.

Jak wykonać doświadczenie?

Zdejmij izolację z obu końców drutu na długości ok. 2–3 cm – możesz to zrobić nożem lub obcinaczką. Następnie zacznij owijać drut wokół gwoździa ciasno i równomiernie, zwój przy zwoju, zaczynając od jednego końca gwoździa. Każdy kolejny zwój powinien leżeć tuż obok poprzedniego, bez nakładania się. Im więcej zwojów, tym silniejszy elektromagnes – docelowo owij tyle, żeby zużyć ok. 1–1,5 m drutu.

Podłącz jeden koniec drutu do plusa baterii (krokodylkiem lub taśmą), a drugi koniec do minusa. Gwóźdź stał się elektromagnesem.

Sprawdź siłę magnesu, przykładając do niego spinacze biurowe. Policz, ile spinaczy utrzymuje naraz. Odłącz jeden koniec drutu od baterii – spinacze opadają. Podłącz ponownie – znowu przyciągają.

Dotknij gwoździa po kilku minutach działania – może być lekko ciepły. To normalne: prąd w drucie wytwarza ciepło (efekt Joule’a).

Wyjaśnienie naukowe

Prąd elektryczny płynący przez drut wytwarza wokół niego pole magnetyczne – to fundamentalne odkrycie Hansa Christiana Ørsteda z 1820 roku. Pole jednego prostego drutu jest słabe, ale gdy drut jest zwinięty w cewkę (solenoid), pola każdego zwoju sumują się i wzmacniają się wzajemnie.

Gwóźdź stalowy wewnątrz cewki pełni rolę rdzenia magnetycznego. Stal zawiera mikroskopijne obszary zwane domenami magnetycznymi – małe, niewidoczne “mini-magnesy” wbudowane w strukturę metalu. Normalnie domeny są zorientowane losowo i wzajemnie się znoszą, więc gwóźdź nie jest magnesem. Gdy pole cewki działa na gwóźdź, domeny ustawiają się zgodnie z polem – i gwóźdź staje się magnesem, wzmacniając pole cewki wielokrotnie.

Gdy odłączysz prąd, pole magnetyczne znika, domeny wracają do losowej orientacji i gwóźdź przestaje być magnesem. To właśnie odróżnia elektromagnes od magnesu trwałego: możesz go włączyć i wyłączyć.

Siła elektromagnesu rośnie z:

Elektromagnesy są sercem niemal każdego urządzenia elektrycznego: silników, głośników, MRI w szpitalach, dzwonków, przekaźników, twardych dysków.

Warianty

Więcej zwojów = silniejszy magnes – zrób dwa elektromagnesy: jeden z 20 zwojami, drugi z 60. Zmierz, ile spinaczy każdy podnosi. Zaobserwujesz wyraźną różnicę.

Różne rdzenie – sprawdź, jak działa elektromagnes bez gwoździa (sam drut), z gwoździem drewnianym lub plastikowym patyczkiem. Porównaj z żelaznym gwoździem. Tylko ferromagnetyki (żelazo, stal, nikiel, kobalt) wzmacniają pole – drewno i plastik nie reagują.

Dźwig elektromagnetyczny – przymocuj elektromagnes do ramienia zbudowanego z patyczków do szaszłyków i stwórz miniaturowy żuraw. Ładujesz spinacze, przenosisz w inne miejsce i rozładowujesz – odłączając baterię. Dźwigi elektromagnetyczne są używane w złomowiskach do podnoszenia samochodów.

Często zadawane pytania

Dlaczego gwóźdź nie zostaje magnesem po wyłączeniu prądu? Gwóźdź jest ze stali miękkiej, której domeny magnetyczne łatwo się ustawiają, ale też łatwo wracają do chaotycznej orientacji po zaniku pola. Magnesy trwałe są zrobione ze specjalnych stopów (np. neodymu, AlNiCo), których domeny “zatrzaskują się” w jednej pozycji i utrzymują ją bez zewnętrznego pola. Przy wielokrotnym użyciu gwóźdź może zachować ślad magnetyzmu (tzw. magnetyzm szczątkowy), ale słaby.

Dlaczego drut się nagrzewa? Prąd elektryczny pokonuje opór elektryczny drutu i traci przy tym energię w postaci ciepła – to efekt Joule’a. Im cieńszy drut lub im większy prąd, tym więcej ciepła. Dlatego bezpieczniki i żarówki żarowe działają właśnie na tej zasadzie: przy zbyt dużym prądzie drut się przegrzewa i topi (bezpiecznik) lub świeci (żarówka).

Ile spinaczy może podnieść mój elektromagnes? To zależy od liczby zwojów, napięcia baterii i grubości drutu. Typowy elektromagnes z baterii 1,5V i ok. 50 zwojami podnosi 5–15 spinaczy biurowych. Z baterią 4,5V i 100 zwojami – kilkadziesiąt. Rekordowe elektromagnesy przemysłowe używane w złomowiskach podnoszą samochody osobowe (ok. 1–2 tony).