Trzymasz rurkę pionowo. Upuszczasz magnes do środka. Zamiast spaść w ułamku sekundy — opada powoli, jakby wewnątrz była gęsta ciecz. A rurka jest pusta. Żadnych linek, żadnych silniczków, żadnych sztuczek — tylko fizyka.

Co nam będzie potrzebne?

  • rura miedziana lub aluminiowa (ok. 30–50 cm długości, średnica wewnętrzna ok. 20–25 mm — dostępna w sklepach hydraulicznych, sekcja rur do instalacji)
  • silny magnes neodymowy w kształcie walca lub kuli (średnica nieco mniejsza niż wewnętrzna rurki, żeby luźno wchodził — np. 18–20 mm; dostępny w sklepach z magnesami lub przez internet za kilka–kilkanaście złotych)
  • dla porównania: kawałek plastikowej rurki PVC o tej samej średnicy (lub kartonowy tubus)
  • opcjonalnie: aluminiowa rura zamiast miedzianej (działa tak samo — aluminium też jest dobrym przewodnikiem)
  • zwykły mały magnes ferrytrowy (płaski, z lodówkowy) do porównania

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Test kontrolny. Najpierw wrzuć magnes neodymowy do plastikowej rurki PVC lub kartonowego tubusu. Spada normalnie, tak jak każdy przedmiot swobodnie opada w powietrzu — szybko, dociera na dół po ułamku sekundy. To nasz punkt odniesienia: rurka plastikowa nie robi nic szczególnego.

Krok 2: Efekt główny. Trzymaj miedzianą rurkę pionowo i wrzuć do niej ten sam magnes. Obserwuj — magnes opada wielokrotnie wolniej. Wyraźnie widać i słyszać, że przesuwa się powoli przez rurkę. Dotknij rurki od zewnątrz dłonią w miejscu, gdzie przesuwa się magnes — poczujesz, gdzie jest.

Krok 3: Porównanie z małym magnesem. Wrzuć do tej samej miedzianej rurki zwykły mały magnes z lodówki. Spada normalnie. Dlaczego? Ferryty są słabe — efekt istnieje, ale jest zbyt mały, żeby zauważyć gołym okiem. Efekt hamowania jest proporcjonalny do kwadratu siły magnetycznej — silny magnes neodymowy hamuje nieporównywalnie mocniej.

Krok 4: Obrócenie rurki. Obróć miedzianą rurkę poziomo i wepchnij magnes z jednej strony. Magnes zatrzymuje się wewnątrz rurki i nie wypada z drugiej strony — grawitacja nie ciągnie go poziomo. Teraz stopniowo przechylaj rurkę. Magnes zaczyna się przesuwać ku niższemu końcowi — ale wolno, jak we śnie. Im bardziej pionowo, tym szybciej (bo grawitacja ma więcej “siły” do przyspieszenia), ale zawsze znacznie wolniej niż swobodnie lecące ciało.

Wyjaśnienie naukowe

Miedź nie jest materiałem magnetycznym — magnes nie przyciąga miedzianej rurki, tak jak przyciąga żelazny gwóźdź. Hamowanie nie pochodzi więc z żadnego przyciągania ani odpychania między magnesem a rurką. Pochodzi z czegoś innego: z prądu elektrycznego, który magnes sam w sobie wzbudza.

Gdy magnes porusza się wewnątrz przewodzącej rurki, jego pole magnetyczne przenika przez miedź i zmienia się w czasie — w każdym miejscu rurki, które właśnie przemija. Według prawa Faradaya (1831 rok): zmienne pole magnetyczne indukuje siłę elektromotoryczną w przewodniku. Miedź to świetny przewodnik, więc indukują się w niej zamknięte pętle prądu elektrycznego — tzw. prądy wirowe (lub prądy Foucaulta). Te prądy płyną w okrągłych pętlach wokół osi rurki, bez żadnych przewodów, tylko w samym metalu.

Ale prądy elektryczne stwarzają własne pole magnetyczne. Według prawa Lenza to indukowane pole zawsze działa tak, żeby sprzeciwiać się zmianie, która je wywołała. Skoro zmiana to ruch magnesu w dół, indukowane pole magnetyczne pcha magnes do góry — hamuje go. Im szybciej magnes spada, tym szybciej zmienia się pole, tym silniejszy prąd wirowy, tym silniejsze hamowanie. W efekcie magnes osiąga pewną stałą prędkość, przy której siła hamowania dokładnie równoważy grawitację — i opada jednostajnie, bardzo powoli.

To dokładnie ta sama zasada co w elektromagnesie z gwoździa : prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza prąd. Te dwa zjawiska są dwiema stronami tej samej monety — indukcji elektromagnetycznej odkrytej przez Michaela Faradaya. Prawo Lenza to konsekwencja zasady zachowania energii: gdyby indukowane pole pomagało magnesowi zamiast mu przeszkadzać, magnes sam siebie przyspieszałby — energia brałaby się z niczego, co jest niemożliwe.

Prądy wirowe mają ogromne praktyczne znaczenie. Hamulce elektromagnetyczne w pociągach i kolejkach górskich działają na tej samej zasadzie: metalowa tarcza obraca się między magnesami i jest hamowana bez żadnego tarcia, cicho i bez zużywania się. Kuchnie indukcyjne gotują w podobny sposób: cewka pod szkłem indukuje prądy wirowe w dnie metalowego garnka, które podgrzewają garnek od środka — samo szkło pozostaje zimne.

Warianty

Aluminium zamiast miedzi. Aluminiowa rura hydrauliczna (lub wygnieciony arkusz grubej folii aluminiowej zwinięty w tubus) daje prawie identyczny efekt. Aluminium przewodzi prąd gorzej niż miedź, więc efekt jest trochę słabszy, ale wyraźnie widoczny. Porównaj czas opadania w obu rurkach tej samej długości — z której rurki magnes wypada wolniej?

Rura stalowa. Stalowa rura da inny wynik: stal jest ferromagnetyczna (przyciąga magnesy) i będzie przyciągać magnes do ścianek rurki. Magnes może utknąć lub opaść krawędzią — ruch będzie nieregularny. To nie jest prąd wirowy, lecz zwykłe przyciąganie magnetyczne. Stal też przewodzi prąd, więc prądy wirowe istnieją, ale efekt magnetycznego przyciągania dominuje.

Kilka magnesów. Weź dwa lub trzy magnesy neodymowe i ułóż je w stos (biegunem N do N i N do S — oba sposoby dają różne wyniki). Jak zestaw magnesów opada w porównaniu z pojedynczym? Silniejszy magnes = więcej prądów wirowych = wolniejsze opadanie?

Pomiar czasu. Zmierz stoperem czas opadania przez rurkę miedzianą i przez plastikową rurkę tej samej długości. O ile razy wolniej opada magnes w miedzi? Wynik jest zazwyczaj 10–30 razy wolniejszy, zależnie od siły magnesu i grubości ścianki rury.

Często zadawane pytania

Dlaczego magnes nie zatrzymuje się całkowicie? Hamowanie jest proporcjonalne do prędkości magnesu — im wolniej opada, tym słabsze prądy wirowe, tym słabsze hamowanie. Przy bardzo małej prędkości siła hamowania spada poniżej siły grawitacji i magnes znowu przyspiesza. W efekcie magnes nie stoi w miejscu, lecz opada z bardzo małą, stałą prędkością — tzw. prędkością graniczną. Żeby magnes zawisł w miejscu, potrzebne byłoby aktywne pole elektromagnetyczne, np. z zewnętrznej cewki.

Czy rurka nagrzewa się od prądów wirowych? Tak, ale bardzo nieznacznie przy pojedynczym eksperymencie. Prądy wirowe zamieniają energię kinetyczną magnesu w ciepło — dokładnie tak samo jak w kuchni indukcyjnej. Po wielokrotnym wrzucaniu magnesu rurka może być ledwo wyczuwalnie cieplejsza od rąk, ale efekt jest subtelny. W urządzeniach przemysłowych prądy wirowe generują na tyle dużo ciepła, że rdzenie transformatorów buduje się z blach izolowanych od siebie, żeby przerywać pętle prądów wirowych i zmniejszać straty energii.

Czy to samo można zrobić z magnesem naturalnym (magnetytem)? Magnetyt (ruda żelaza) jest naturalnym magnesem, ale wielokrotnie słabszym niż neodym. Efekt istniałby, ale byłby zbyt słaby, żeby zauważyć bez precyzyjnych przyrządów. Magnesy neodymowe — stop neodym-żelazo-bor, wynaleziony w 1984 roku — są ponad 10 razy silniejsze niż najlepsze magnesy ferytowe i to one sprawiają, że efekt jest spektakularny gołym okiem.