Есть занимательный и красивый опыт: Если в медную трубу уронить постоянный магнит, то он будет падать замедленно — будто тело движется в невесомости или вдруг изменилась гравитация.
Чтобы объяснить это явление, хватит школьных знаний по физике.
Мы знаем, что медь относится к слабомагнитным веществам. Медь не притягивается магнитом (не "прилипает" к нему), в отличие, например, от железа, кобальта, никеля. Поэтому, казалось бы, она не должна взаимодействовать с магнитом (а магнит с медью) и поэтому магнит в медной трубе должен падать так же, как в пластмассовой трубе или вообще без трубы. Но это не так.
Например, в опыте, описанном в этой статье в журнале «Успехи физических наук», магнит пролетает через метровую стеклянную трубку за 0,6 с, а через такую же медную — за 10 с.
Можно предположить, что важное значение имеет то, что медь проводит электрический ток. Действительно, из школьного курса физики нам известно явление электромагнитной индукции, открытое ещё Майклом Фарадеем в 1831 году: при изменении магнитного поля в проводящем контуре возникает ток (наведённый или индуцированный, его называют индукционным током).
В цельном куске металла изменяющееся магнитное поле порождает так называемые вихревые (круговые) токи (они же токи Фуко). Если индукционные токи с металле достаточно сильные, то они могут разогреть его и даже расплавить. Это используется в современных индукционных кухонных плитах (быстро меняющееся магнитное поле разогревает металлическую кастрюлю или сковороду) и в индукционных плавильных печах (в них быстро меняющееся магнитное поле разогревает кусок металла до расплавления).
Магнитное поле постоянного магнита не однородно: линии магнитной индукции у полюсов более густо расположены (магнитное поле там сильнее), а чем дальше от магнита, тем поле слабее. При падении магнита в медной трубе, магнитное поле в сечении трубы меняется и в ней возникают индукционные токи.
В школе все видели опыт Ленца (с прибором Петроевского): если в подвешенное на коромысле тонкое алюминиевое кольцо (алюминий — тоже слабомагнитный материал, как и медь) вдвигать магнит, то оно будет отталкиваться, а если выдвигать — то притягиваться. Если то же самое проделывать с алюминиевым кольцом с разрезом, то такого взаимодействия наблюдаться не будет. Объясняется это тем, что в замкнутом кольце ток возникает (индуцированный меняющимся магнитным полем вдвигаемого или выдвигаемого магнита), а в кольце с разрезом ток не возникает (разрыв в цепи).
Любой ток порождает вокруг себя магнитное поле. Индукционный ток в кольце — тоже. Кольцо с током само станет магнитом. Направление тока в кольце (и, соответственно, направление линий магнитной индукции или расположение полюсов) определяется по правилу Ленца: направление индукционного тока всегда таково, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающему индукционный ток.
Полюса этого магнита-кольца расположены так, чтобы в одном случае отталкивать магнит (на рисунке выше к магниту будет направлен полюс N и кольцо будет отталкиваться от одноимённого северного полюса магнита), а в другом — притягивать (если магнит выдвигать из кольца, то в кольце возникнет ток, направленный таким образом, что к магниту будет обращён южный полюс S). Для лёгкости запоминания можно так описать: При введении магнита в кольцо, магнитный поток нарастает и, чтобы его уменьшить, кольцо будет "стараться" отодвинуться от магнита, чтобы ослабить нарастание магнитного потока через него. При выдвигании магнита из кольца, магнитный поток через него будет уменьшаться и кольцо будет "стараться" придвинуться к магниту, чтобы не дать магнитному потоку через кольцо ослабиться.
Конечно, кольцо ни о чём не "думает", не выбирает своё поведение, а просто по законам физики меняющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, которое заставляет двигаться электроны в проводнике «по кругу» вдоль линий напряжённости электрического поля, то есть возникает электрический ток, причём такого направления, что порождаемое этим током магнитное поле направлено против изменения внешнего поля, порождающего индукционный ток. Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии: Представим, что ток в кольце был бы другого направления. Тогда при вдвигании магнита в кольцо, оно притягивалось бы, а не отталкивалось, и магнитное поле менялось бы ещё сильнее, индукционный ток нарастал, магнит и кольцо всё быстрее бы сближались со всё большей скоростью, порождая ещё больший ток, способный производить всё большую работу — получается энергия из ниоткуда. И наоборот, если бы при выдвигании магнита из кольца, кольцо отталкивалось от магнита, то энергия бы исчезала без следа.
Медную трубу можно представить состоящей из многих проводящих колец, в каждом из которых при падении магнита возникает индукционный ток, который рождает собственное магнитное поле, стремящееся вытолкнуть магнит. Поэтому магнит падает в медной трубе замедленно по сравнению с падением в воздухе без трубы.
На развитие канала: ЮMoney
