Miedź nie przyciąga magnesu, a mimo to może bardzo skutecznie hamować jego ruch
Miedź nie jest ferromagnetyczna, więc nieruchomy magnes nie „przykleja się” do miedzianej płyty jak do stali. Gdy jednak magnes porusza się względem przewodnika, zmienia strumień pola przez obszary metalu i indukuje zamknięte prądy zwane prądami wirowymi. Zgodnie z regułą Lenza ich własne pole przeciwdziała zmianie, która je wywołała. W efekcie pojawia się siła hamująca ruch magnesu. Energia kinetyczna nie znika: jest ostatecznie rozpraszana głównie jako ciepło oporowe w miedzi. Przewodnik może więc silnie oddziaływać z ruchem magnesu mimo braku zwykłego ferromagnetycznego przyciągania.
Dwa różne znaczenia słowa „magnetyczny”
Miedź jest diamagnetykiem i w zwykłych warunkach nie jest silnie przyciągana przez magnes. To jednak nie mówi nic o jej zdolności do przewodzenia prądu. A przewodnictwo staje się kluczowe, gdy pole w czasie się zmienia. Dlatego pytanie „czy magnes przyciąga ten materiał?” i pytanie „czy ruch magnesu może wzbudzić w nim prądy?” dotyczą zupełnie różnych własności.
Zmieniający się strumień wywołuje prądy
Kiedy magnes zbliża się do płyty, pole w każdym fragmencie miedzi rośnie i zmienia kierunek przestrzenny. Prawo Faradaya opisuje powstawanie pola elektrycznego związane ze zmianą strumienia magnetycznego. Ponieważ miedź dobrze przewodzi, elektrony mogą krążyć po zamkniętych torach. Nie potrzebujemy osobnej nawiniętej cewki: sam masywny przewodnik zawiera wiele możliwych pętli prądowych.
Reguła Lenza wyjaśnia kierunek siły
Indukowany prąd wytwarza własne pole. Jego kierunek jest taki, aby przeciwdziałać zmianie strumienia. Gdy magnes zbliża się do przewodnika, reakcja ma tendencję do hamowania zbliżania; gdy magnes się oddala, prądy zmieniają się tak, by hamować oddalanie. Nie jest to „magnetyczne tarcie” w sensie kontaktu powierzchni, ale skutek elektromagnetycznego sprzężenia z ruchem.
Gdzie trafia energia
Jeśli siła hamuje poruszający się magnes, jego energia kinetyczna maleje. Prądy wirowe płyną przez metal o skończonym oporze, więc wydzielają ciepło Joule’a. W doświadczeniu zmiana temperatury może być niewielka, ale bilans energetyczny jest jednoznaczny. Im więcej energii ruchu zostanie odebrane, tym więcej musi pojawić się w innych postaciach, przede wszystkim jako ciepło.
Szczeliny osłabiają prądy wirowe
Prądy potrzebują zamkniętych dróg. Nacięcie przewodzącej płyty albo wykonanie rdzenia z cienkich izolowanych blach utrudnia krążenie dużych pętli i zmniejsza straty prądów wirowych. To ta sama fizyka wykorzystywana w transformatorach: laminowanie rdzeni ogranicza niepożądane prądy indukowane. Geometria przewodnika może więc wzmacniać albo tłumić efekt.
Hamowanie bez kontaktu
Zjawisko pozwala budować hamulce, w których nie ma tarcia dwóch powierzchni. Magnes i metal mogą być oddzielone szczeliną powietrzną, a mimo to ruch jest tłumiony. Takie układy są stosowane m.in. w przyrządach pomiarowych, urządzeniach transportowych i kolejkach górskich. Wadą jest to, że przy bardzo małej prędkości zmiana strumienia maleje, a wraz z nią typowa siła hamowania.
Najbardziej zaskakująca lekcja
Brak statycznego przyciągania nie oznacza braku silnego oddziaływania dynamicznego. Miedź pokazuje, że w elektromagnetyzmie ruch i zmiana są równie ważne jak rodzaj materiału. Nieruchomy magnes i nieruchoma miedź prawie się ignorują, lecz względny ruch uruchamia całkiem nowy kanał oddziaływania przez prądy indukowane.
Siła hamująca ma także reakcję po drugiej stronie. Jeśli magnes spada obok miedzianej płyty i jest hamowany, płyta doświadcza przeciwnej siły zgodnie z zachowaniem pędu. W wielu demonstracjach ciężka płyta pozostaje prawie nieruchoma, więc łatwo przeoczyć tę część układu. Gdy przewodnik umieści się na lekkim wózku lub pływającej podstawie, jego ruch staje się widoczny. Prądy wirowe nie tworzą bezreakcyjnego „tarcia z polem”; siły działają między magnesem i przewodnikiem poprzez pole elektromagnetyczne.