W internecie krąży mnóstwo filmów z „silnikami magnetycznymi", które rzekomo kręcą się same, bez końca. Zbudowanie prostej karuzeli z magnesów neodymowych pozwala w kilkanaście minut przekonać się na własne oczy, dlaczego żaden z nich nie jest prawdziwy — i przy okazji zobaczyć, jak niewidzialna siła potrafi poruszać przedmiotem bez żadnego kontaktu.

Co nam będzie potrzebne?

  • 4–6 małych magnesów neodymowych w kształcie krążków (np. 10 × 3 mm)
  • 1 większy magnes neodymowy lub magnes z głośnika (jako „napęd")
  • kawałek grubego kartonu (ok. 15 × 15 cm)
  • ostry ołówek lub drewniany patyk do szaszłyków (oś)
  • igła, szpilka lub plastikowa nakrętka z wgłębieniem (łożysko)
  • mocna taśma klejąca lub klej na gorąco
  • nożyczki i cyrkiel (lub talerzyk do odrysowania koła)
  • kompas

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Bezpieczeństwo. Magnesy neodymowe są bardzo silne. Potrafią boleśnie przyciąć skórę, gdy zderzą się dwa z nich, a połknięte przez dziecko mogą w jelitach przyciągnąć się nawzajem i spowodować groźne uszkodzenia. Doświadczenie wykonuj więc ze starszymi dziećmi, pod nadzorem dorosłego, i trzymaj magnesy z dala od telefonów, kart płatniczych, rozruszników serca i dysków twardych. Do rozdzielania sklejonych magnesów odsuwaj je od siebie, przesuwając bokiem, a nie odrywając wprost.

Krok 2: Wycięcie wirnika. Odrysuj na kartonie koło o średnicy około 12 cm i wytnij je. W jego środku zaznacz punkt, a następnie wzdłuż brzegu, w równych odstępach, zaznacz miejsca na magnesy. Przy pięciu magnesach odstęp wynosi 72°, przy sześciu 60°. Równomierne rozmieszczenie jest ważne, bo w przeciwnym razie karuzela będzie się zatrzymywać zawsze w tym samym miejscu.

Krok 3: Ułożenie biegunów. Weź kompas i sprawdź, którą stroną każdy z małych magnesów zwraca się ku północy. Wszystkie magnesy muszą zostać przyklejone do wirnika tym samym biegunem do góry. Najłatwiej zrobić to, układając je jeden po drugim na kartonie i nie pozwalając im się odwrócić; sąsiednie magnesy będą wtedy się odpychać, więc przyklej je od razu taśmą lub klejem.

Krok 4: Oś i łożysko. W środku wirnika wbij ołówek lub patyk tak, aby tworzył oś, albo przyklej od spodu nakrętkę z wgłębieniem i ustaw ją na sterczącej igle wbitej pionowo w kawałek styropianu. Tarcie w łożysku musi być jak najmniejsze, więc zadbaj o to, żeby karuzela obracała się lekko po delikatnym dmuchnięciu.

Krok 5: Napęd bez dotyku. Weź większy magnes i zbliż go do brzegu wirnika od góry, tak aby zwrócony ku niemu biegun był taki sam jak biegun małych magnesów. Przesuwaj go powoli po okręgu nad krawędzią wirnika, nie dotykając kartonu. Karuzela zacznie się obracać, odpychana kolejnymi magnesami. Spróbuj też zbliżyć magnes przeciwnym biegunem: wirnik będzie wtedy podążał za nim, przyciągany.

Wyjaśnienie naukowe

Każdy magnes neodymowy jest stopem neodymu, żelaza i boru (Nd₂Fe₁₄B), wynalezionym niezależnie w 1982 roku przez zespoły z Japonii i Stanów Zjednoczonych. W ich wnętrzu atomy żelaza mają uporządkowane momenty magnetyczne, więc cały krążek zachowuje się jak maleńki pręt z biegunami północnym i południowym. Jednoimienne bieguny się odpychają, różnoimienne przyciągają, a siła ta zależy od odległości — spada bardzo szybko, mniej więcej z czwartą potęgą odległości dla dwóch małych magnesów. Dlatego odpychanie jest wyraźne dopiero tuż przy krawędzi wirnika.

To, co widzisz w karuzeli, nazywa się sprzężeniem magnetycznym: energia przekazywana jest z twojej ręki przez pole magnetyczne do wirnika, bez żadnego fizycznego kontaktu. Dokładnie ta sama zasada działa w pompach z napędem magnetycznym, w których wirnik zanurzony w cieczy jest obracany magnesami z zewnątrz, dzięki czemu nie ma żadnego uszczelnienia, które mogłoby przeciekać. Używa się ich w laboratoriach chemicznych, przy przepompowywaniu żrących substancji, i w mieszadłach magnetycznych, w których pływający w zlewce „bączek" obraca się pod wpływem obracającego się magnesu pod spodem.

A dlaczego karuzela nigdy nie zacznie się kręcić sama, nawet jeśli obok niej ułożysz sprytnie nieruchome magnesy? Pole magnetyczne trwałych magnesów jest polem zachowawczym, czyli takim, w którym praca wykonana przy przeniesieniu magnesu po dowolnej zamkniętej drodze wynosi zero. Mówiąc prościej: jeśli wirnik wykona pełny obrót i wróci do punktu wyjścia, to energia potencjalna układu jest taka sama jak na początku, więc nie może on w ten sposób zyskać energii. Każde ustawienie nieruchomych magnesów, które popchnie wirnik w jednym miejscu, w innym go przyhamuje, a ostatecznie karuzela zatrzyma się w położeniu równowagi. Tarcie w łożysku tylko dodatkowo zabiera energię. Prawdziwe silniki elektryczne radzą sobie z tym, odwracając biegunowość elektromagnesów w odpowiednim momencie, a to wymaga stałego zasilania z zewnątrz — zobacz, jak to wygląda w elektromagnesie z gwoździa i w silniku homopolarnym .

Historia nauki zna wiele prób zbudowania perpetuum mobile — maszyny wiecznie pracującej bez zasilania. Już w 1775 roku Francuska Akademia Nauk ogłosiła, że przestaje rozpatrywać takie projekty, bo wszystkie łamią zasadę zachowania energii. Silniki „magnetyczne" z internetu zwykle działają tylko dzięki ukrytemu zasilaniu, dobrze zamaskowanej baterii albo montażowi filmu.

Warianty

Wariant 1: Karuzela zawieszona na nitce. Zamiast ostrza igły zawieś wirnik poziomo na cienkiej, skręcanej nitce. Zbliżaj magnes do brzegu i obserwuj, jak karuzela się skręca i oscyluje. Policz, ile okresów drgań wykona w ciągu 30 sekund, i porównaj wynik dla magnesów ułożonych w różnych odległościach od osi.

Wariant 2: Magnetyczny hamulec. Nad wirnikiem umieść płaską miedzianą monetę lub kawałek folii miedzianej i zakręć karuzelę. Zauważysz, że zatrzymuje się szybciej, mimo że miedź nie jest magnetyczna. To prąd wirowy indukowany w miedzi, o którym więcej przeczytasz w artykule o magnetycznym pociągu .

Wariant 3: Mapa pola magnetycznego. Połóż pod kartką papieru jeden z magnesów i posyp ją drobnymi opiłkami żelaza lub rozdrobnioną wełną stalową. Delikatnie stuknij w kartkę — opiłki ułożą się wzdłuż linii pola. Porównaj ten rysunek z tym, który otrzymasz za pomocą igły kompasu .

Często zadawane pytania

Dlaczego karuzela zatrzymuje się zawsze w tym samym miejscu? Najczęściej winne jest nierówne rozmieszczenie magnesów albo lekki przechył osi, przez który wirnik opada na jedną stronę. Dodatkowo każdy kartonowy wirnik ma nieco inną masę po różnych stronach, więc środek ciężkości nie leży dokładnie na osi. Sprawdź kątomierzem odstępy między magnesami i podeprzyj kartonowe koło w kilku miejscach, żeby sprawdzić, czy jest wyważone.

Czy magnesy neodymowe tracą z czasem siłę? Dobrej jakości magnesy tracą około jednego procenta siły w ciągu dziesięciu lat, więc w praktyce są trwałe. Szybciej rozmagnesowują się po podgrzaniu powyżej około 80 °C, a także gdy zostaną uderzone albo wystawione na silne zewnętrzne pole o przeciwnym kierunku. Przechowuj je więc z dala od ciepła i nie upuszczaj na twardą podłogę, bo kruchy materiał łatwo pęka.

Czy da się zbudować silnik na magnesach trwałych, który pracuje bez zasilania? Nie, ponieważ byłoby to sprzeczne z zasadą zachowania energii. Magnesy trwałe nie są źródłem energii, tylko jej magazynem, który nie może się „zużyć" w obiegu zamkniętym, ale też nie dostarcza żadnej dodatkowej pracy. W prawdziwych silnikach elektrycznych magnesy trwałe odgrywają rolę pomocniczą, a energię dostarcza prąd z baterii lub sieci, podobnie jak w ogniwie z cytryn .