Magnet i kobberrør

Forsøg nr.: 32
Formål: At demonstrere Lenz' Lov.
Resume: En magnet, der falder ned igennem et kobberrør, bremses af induktionen.
Nøgleord: Elektromotorisk kraft, induktion, ledningsevne, magnetfelter, magnetisme, acceleration, bevægelse, kræfter, tyngdekraft.

Beskrivelse:

En kraftig neodymium magnet slippes over et lodretstående kobberrør:

Diagram over forsøg.

Når magneten falder i tyngdefeltet ned igennem røret, så vil magnetens acceleration forsvinde og magneten falde med en konstant hastighed igennem røret. Dette kan bekræftes ved at lave forsøget med rør af forskellige længder. Tager man tid på magnetens tur igennem røret, vil man opdage, at turen tilnærmelsesvis er proportional med rørets længde.

Effekten skyldes, at magneten inducerer en strøm rundt i røret (der jo kan opfattes som en spole med én vinding). Denne strøm laver et magnetfelt, som ifølge Lenz' Lov er modsatrettet magnetens felt. Dermed bremses magneten.

Effekten vil blive betydeligt reduceret, hvis man laver forsøget med et rør, der er skåret op i en rille langs hele rørets længde. Her forhindres strømmen i røret i at løbe hele vejen rundt omkring magneten.

Magnet smides ned igennem et kobberør. Forsøget fascinerer både små...

...og store folk!

Når magneten bremses, aftager også den inducerede strøm, og dermed kan magneten lige netop finde en ligevægtstilstand, hvor tyngdekraften og den inducerede magnetiske kraft ophæver hinanden.

I stedet for et kobberrør kan man bruge et andet elektrisk ledende rør; for eksempel af aluminium.

Forsøget er i sig selv fascinerende at opleve, men man kan sagtens bruge forsøget til at lave kvantitative målinger. I artiklen af MacLatchy et al. bruges for eksempel et par pick-up spoler viklet omkring røret. Signalet fra spolerne kan aflæses på et oscilloskop, og har man to spoler i en kendt afstand kan man for eksempel måle magnetens hastighed inde i kobberrøret.

MacLatchy udregner faktisk den konstante hastighed, som magneten vil bevæge sig med i røret:

Den endelige hastighed for en magnet i et kobberrør.

hvor R og d er radius og tykkelse af kobberrøret, m er magnetens masse, og sigma kobberets konduktivitet. Formlen er udledt under antagelse af, at magneten er en dipol med dipolmoment Mb. Dette er dog en meget simpel approksimation, som Sawicki viser i sin artikel.

Effekten bliver for øvrigt en hel del kraftigere, hvis kobberrøret først køles ned i flydende kvælstof, idet den elektriske modstand for kobber derved nedsættes betydeligt.

En anden måde at udføre forsøget på er ved at "vende om" på magnet og rør. I stedet kan man nemlig lade magneterne være fastlåste, men røret bevæges hen over magneten:

En aluminiumsringe bremses, når den bevæger sig ned over en magnet. Hvis der er skåret en rille i ringen, vil den inducerede strøm ikke kunne løbe rundt i ringen, og bremseeffekten er væsentlig mindre. Billedet er taget på Korean Science Festival i Daejeon, Sydkorea, i august 2005. Udstyret er lavet af Questacon (Australiens nationale videnskab og teknologi center) i Canberra.

Ydermere kan man lave en opstilling, hvor magneten falder igennem flere rør efter hinanden:

Her falder magneten gennem flere aluminiumsrør, og hver gang bremses den kraftigt op. Billedet er taget på den tyske stand på Korean Science Festival i Daejeon, Sydkorea, i august 2005. Udstyret er lavet af Klaus Wiebel fra Pädagogische Hichschule Freiburg.

Udstyr og materialer:

Stærk magnet
Kobberrør

Referencer:

C.S. MacLatchy, P. Backman and L. Bogan: "A quantitative magnetic braking experiment", Am. J. Phys. 61, 1096 (1993).
O.R. Ochoa, F. Kolp and J.T. Handler: "Quantitative demonstration of Lenz's law", The Physics Teacher 36, 50 (1998). (http://scitation.aip.org/tpt/)
C.A. Sawicki: "A Lenz's law experiment revisited", The Physics Teacher 38, 439 (2000). (http://scitation.aip.org/tpt/)
S. Devons: "The search for electromagnetic induction", The Physics Teacher 16, 625 (1978). (http://scitation.aip.org/tpt)
R.C. Nicklin, A. Graham, and R. Miller: "Lenz's law demonstration for a large class", The Physics Teacher 35, 46 (1997). (Hvordan man kan bruge kameraer til at vise forsøget for et stort publikum.) (http://scitation.aip.org/tpt)
C.A. Sawicki: "A dynamic demonstration of Lenz's law", The Physics Teacher 35, 47 (1997). (Hvordan man kan vise forsøget til et stort publikum ved at lave et rør, der skiftevis består af kobber og gennemsigtigt plastik.) (http://scitation.aip.org/tpt)
J.A.M. Clack and T.P. Toepker: "Magnetic induction experiment", The Physics Teacher 28, 236 (1990). (Kvantitative målinger på magnet gennem kobberør.) (http://scitation.aip.org/tpt)
J. Priest and B. Wade: "A Lenz Law experiment", The Physics Teacher 30, 106 (1992). (Kvantitative målinger på magnet gennem kobberør.) (http://scitation.aip.org/tpt)
M.K. Roy, M.K. Harbola, and H.C. Verma: "Demonstration of Lenz's law: Analysis of a magnet falling through a conducting tube", Am. J. Phys. 75, 728 (2007).

PIRA DCS: 5K20.25 (Elektricitet og magnetisme: Elektromagnetisk induktion)

Opdateret: 07.08.2007

Har du kommentarer, rettelser eller tilføjelser til dette forsøg, så send en til FYSIKBASEN.DK.