Miksi magneetti pysäyttää sen? Paljasta “muutosta vihaavan sähkön” salaisuus käämikokeen avulla!

Olen Ken Kuwako, tiedekouluttajanne. Joka päivä on kokeilun arvoinen.

Metalliesine pysähtyy kuin seinään, vaikka siihen ei kosketa… Eikö olisikin jännittävää, jos tieteiselokuvista tai taikuudesta tutun ilmiön voisi toteuttaa helposti, kotioloissa, aivan arkisilla tarvikkeilla? Tänään esittelen kokeen, jonka voit tehdä heti kotona ja joka takuulla hämmästyttää!

Tämän ilmiön avain on pyörrevirta (tai Foucault’n virta). Vaikka nimi ei ehkä ole tuttu, se tukee elämäämme monissa läheisissä sovelluksissa. Esimerkiksi Shinkansen-luotijunissa, joissakin muissa junissa ja huvipuistojen vuoristoradoissa hyödynnetään pyörrevirtajarruja. Näiden jarrujen uskomaton etu on se, että ne voivat pysäyttää pyörät kuin taikaiskusta ilman fyysistä kosketusta osien välillä. Koska jarru ei perustu kitkaan, se toimii luotettavasti myös sateella, eikä osien kuluminen ole ongelma.

Tänään paljastamme tämän maagisen pyörrevirran salaisuuden kokeen avulla!

Tieteen resepti

● Tarvikkeet

• Kuparilankaa (pinnoitettu lanka, esim. emaloitu, on helpompi käsitellä)
• Keskikappale (esim. tyhjä tölkki tai folion/kelmun hylsy)
• Magneetti
• Jos mahdollista, krokotiilipidikkeitä (tai teippiä)

Magneetin osalta olisi parasta käyttää vahvaa magneettia, kuten neodyymimagneettia, mutta voit käyttää myös 100 jenin kaupasta saatavia pyöreitä ferriittimagneetteja pinoamalla niitä useamman päällekkäin. Mitä paremmin kupari johtaa sähköä, sitä selvemmin ilmiö näkyy.

● Ohjeet

① Valmista ensin kela. Kierrä kuparilankaa tyhjän tölkin tai muun lieriön ympärille. Suosittelemme käyttämään kapeaa tölkkiä, esimerkiksi virvoitusjuomatölkkiä. Kierrä lankaa noin 20 kertaa. (Jos käytät emaloitua lankaa, raaputa pinnoite pois langan molemmista päistä hiekkapaperilla.)

② Ripusta kela heilumaan eli tee ”keinu”. Kiinnitä kela johonkin niin, että se pääsee heilumaan kuin heiluri.

③ Heiluta keinuun ripustettua kelaa sellaisenaan. Aloita heiluttamalla kelaa normaalisti. Kuten odotettua, se jatkaa heilumistaan jonkin aikaa. Seuraavaksi, yhdistä kuparilangan molemmat päät krokotiilipidikkeillä (tai teipillä) eli sulje piiri ja tarkkaile tilannetta. Koska magneettia ei vielä ole paikalla, mitään muutosta ei pitäisi tapahtua.

④ Aseta magneetti kelan viereen ja toista vaihe ③. Aseta magneetti niin, että heiluva kela lähestyy ja etääntyy magneetista kelan sivulta päin, eikä niin, että magneetti kulkee kelan renkaan läpi. Toista sitten vaihe ③.

● Tulos

Katso tämä video.

Uskomatonta! Kun magneetti on paikallaan ja kytket kuparilangan päät yhteen eli suljet piirin, keinu pysähtyy lähes välittömästi, aivan kuin se liikkuisi mudassa tai siirapissa. Emme kytkeneet virtalähdettä tai paristoa, joten on todella kummallista, miksi se pysähtyy!

Taikuuden salaisuus – Miksi jarrutus tapahtuu?

Tämän ilmiön taustalla on sähkömagneettinen induktio ja siitä seuraava sähkön luontainen taipumus vastustaa muutosta.

1. Sähkö syntyy (sähkömagneettinen induktio) Kun kela (kuparilanka) liikkuu magneetin lähellä (lähestyy tai etääntyy), kelan sisällä oleva magneettikentän voimakkuus muuttuu. Fysiikan tunneilta tutun Faradayn sähkömagneettisen induktion lain mukaan tämä ”muutos” luo kelaan voiman (jännitteen), joka yrittää saada sähkön virtaamaan.
2. Kun piiri suljetaan… Tässä kokeessa kuparilangan päiden yhdistäminen (piirin sulkeminen) on ratkaiseva tekijä. Vaikka sähköä yrittävä voima syntyisi, sähkö ei virtaa, jos reitti ei ole yhtenäinen. Mutta kun piirin kytkee kiinni, syntynyt voima saa aikaan induktiovirran virtaamisen kelassa.
3. Jarrutus alkaa (Lenzin laki) Tämä on kokeen mielenkiintoisin vaihe. Tällöin virtaavalla sähköllä on hyvin ”jääräpäinen” luonne (Lenzin laki).
   • Kun kela yrittää lähestyä magneettia → Se synnyttää magneettisen voiman, joka hylkii (”Älä tule!”), ja estää liikkeen.
   • Kun kela yrittää etääntyä magneetista → Se synnyttää magneettisen voiman, joka vetää puoleensa (”Älä mene!”), ja estää silti liikkeen.

Toisin sanoen, riippumatta siitä mihin suuntaan kela yrittää liikkua, syntyy aina voima (jarru), joka ”sanoo stoppia” liikkeelle. Tämä on periaate kosketuksettoman pyörrevirtajarrun takana. Taikuudelta näyttänyt ilmiö olikin pohjimmiltaan sähkön voima, joka pyrkii kaikin voimin vastustamaan magneettikentän muutosta!

【Laajennus】 Pyörrevirta pyörivässä hyrrässä

Pyörrevirtajarrutusta voi kokeilla myös metallilevyn avulla, kuten esimerkiksi painavassa Maapallo-hyrrässä. Tässä tapauksessa virta ei kulje kelassa, vaan metallilevyn sisällä.

Kun magneetti tuodaan lähelle pyörivää hyrrää (metallilevyä), levyn sisälle syntyy ”pyörteinen sähkövirta” = pyörrevirta. Myös tämä pyörrevirta on ”jääräpäinen”. Se jarruttaa hyrrän pyörimistä pyrkien estämään ”muutosta” eli hyrrän pyörimistä. Näemme, kuinka pyörivän hyrrän nopeus alkaa hidastua ja se pysähtyy, kun magneetti tuodaan lähelle.

Toisin kuin edellisessä kokeessa, jossa virta kulki ”kuparilangan reittiä”, tässä virta pyörii koko ”metallilevyn” sisällä. Molemmat ilmiöt ovat tärkeitä tieteen ja tekniikan periaatteita, jotka tukevat turvallista elämäämme. Kokeile tätä ”taikajarrua” kotioloissa!

Tiedustelut ja pyynnöt

Tehdään tieteen ihmeistä ja hauskuudesta lähestyttävää! Olen koonnut helppolukuisia ohjeita hauskoista tiedekokeista ja niiden toteutusvinkeistä kotiin. Hae lisää tietoa! ・Tietokirjani Science Notebook (Kagaku no Netachou) on julkaistu. Lisätietoja täältä ・Lisätietoja ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä ・Erilaiset toimeksiannot (kirjoittaminen, luennot, kokeilupajat, TV-konsultointi/esiintyminen jne.) täältä ・Artikkelipäivitykset lähetetään X:ssä!

Koevideoita julkaistaan tieteen ideakanavalla!