Lebegő békák meg egyéb menő dolgok

FIZIKA    2019-01-19 17:33:14

fizika Zenit tudomány

Ha az anyagokat mágneses tulajdonságaik szerint kéne csoportosítani, szerintem 100-ból 90-en két csoportra osztanák a dolgokat: a vas, amit vonz a mágnes, meg minden más, amit nem. A 100-ból kilencen kiegészítenék ezt a felosztást még két anyaggal, a kobalttal és a nikkellel, így 3 elemre növelve azoknak az anyagoknak a számát, amiket a mágnes vonz.

A nagy helyzet az, hogy még ez utóbbi felosztás is nagyon távol áll az igazságtól. Ebből a cikkből megtudjátok, mit válaszolna erre a kérdésre a maradék egy ember. 

A dilettáns paradicsom

Javaslom, hogy végezzétek el a következő kísérletet.

Szükségetek lesz két kb egyforma méretű koktélparadicsomra, egy erősebb cérnára, egy vastag hurkapálcára, egy bicskára/késre és lehetőleg két, minél erősebb mágnesre. Ha nincs 2 mágnes, jó egy is, de az tényleg legyen nagyon erős.

Fogjátok a hurkapálcát, és pontosan a közepén picit vágjátok be. Erre csomózzátok a cérnát, de úgy, hogy hagyjatok lelógni egy kb fél méteres darabot. A pálcát a cérna maradék lelógó részénél fogva függesszétek fel valamire, majd a két végére szúrjatok egy-egy kb azonos méretű koktélparadicsomot. A nehezebbik paradicsomot (tehát amelyik a pálcát szabadon hagyva alulra kerül) tologassátok addig befelé a pálcán, míg a két paradicsom forgatónyomatéka ki nem egyenlíti egymást, vagyis amíg a pálca szépen be nem áll vízszintes helyzetbe. Ezután várjátok meg, amíg a rendszer forgása le nem áll, ami sok ideig is eltarthat, akár (de nem biztosan!) fél/egy óráig is forgolódhat. Ha már nem forog, vegyétek elő a két mágnest, és nagyon óvatosan, anélkül, hogy azok konkrétan hozzáérnének a paradicsomhoz, közelítsétek feléjük, egyiket jobbról, másikat balról.

Azt fogjátok tapasztalni, hogy a rendszer elkezd távolodni a mágnesektől! Ráadásul a mágnesek bármelyik felével próbálkozhattok a paradicsom akármelyik oldalán, a hatás mindig ugyanilyen taszító lesz.

Nem minden gyáva, ami parázik

Nahát, ez meg hogy lehet?! Úgy látszik, megdőlt az az eddig mindig érvényesnek gondolt kép, hogy pár fémet vonz a vas, másokat meg békén hagy. 

Ami azt illeti, a tapasztalt jelenség neve diamágnesesség. Az anyagoknak ugyanis alapvetően mágneses szempontból két nagy csoportja van: a paramágneses és diamágneses anyagok. 

A paramágneses anyagok nevükkel ellentétben nem félnek a mágnestől, sőt. Paramágneses anyag a volfrám, a cézium, az alumínium, a lítium, a magnézium és a nátrium is. Ezeknek az anyagoknak közös tulajdonsága, hogy mágneses mezőbe kerülve a mágneshez egy picit, de csak nagyon picit vonzódnak.

A paramágneseken belül van egy szűkebb csoport, ezek a ferromágneses anyagok, amik a vas után kapták a nevüket. Nem nehéz kitalálni, miért: ezekre az elemekre a mágnes nagyon erős vonzóerőt fejt ki. És igen, ebbe a kategóriába tartozik az a bizonyos három fém: a vas, a nikkel és a kobalt. 

A diamágneses anyagok a paramágnesesek ellentettjei. Mágneses mezőbe kerülve attól igyekeznek eltávolodni, a mágneses mező taszítja őket, de ez csak parányi erőhatás. Diamágneses anyagok a nemesgázok, a réz, az ezüst és az arany is. Bizonyos extrém körülmények között ugyanakkor egyes anyagok képesek nagyon erős diamágneses tulajdonságokat mutatni, ezek a szupravezetők, amik amúgy a nevüket nem a mágneses tulajdonságaikról kapták, de ez most mellékes.

Ahaa, tehát a paradicsom diamágneses!

kiáltasz fel magadban. Sajnos ez így ebben a formában nem igaz. A paradicsom nem egy elem, még anyagnak is furcsa nevezni. A paradicsomban azonban rengeteg víz van: nos, ez a víz az, ami diamágneses tulajdonságokkal bír. Vagyis mi magunk is diamágnesesek vagyunk, hiszen testünk legalább 2/3-a víz. Itt már talán kezditek kapizsgálni, hogy miért is lebeghet a főcímen látható béka...

Az anyagok para- ill. diamágneses felosztása egyébként Michael Faraday brit fizikus-kémikus nevéhez fűződik. Rengeteg kísérletet végzett, amiben különböző anyagokat egy igen erős  homogén mágneses térbe helyezett. Megfigyelte, hogy bizonyos anyagok a mágneses mezővel párhuzamosan, míg mások merőlegesen álltak be a térhez képest. Ezeket aztán  a kísérlet során mutatott tulajdonságaik után elnevezte paramágneses, illetve diamágneses anyagoknak. 

Apró áramkörök

Tulajdonképpen mi okozza az anyagok mágnesességét? Erre a legpontosabb válasz nagyon bonyolult kvantummechanikai fogalmakat tartalmaz, de létezik olyan leírása a jelenségnek, ami számunkra teljesen érthető, és bőven elég pontos ahhoz, hogy elfogadjuk ezen a szinten.

Az elektromos áramnak mágneses hatása van. Egy hosszú, egyenes vezetőben folyó áram maga körül olyan mágneses teret gerjeszt, aminek az iránya éppen olyan, mint a jobbkezünk köré behajlított ujjaink iránya, a kéztől a köröm felé haladva. Mintha a vezetéket egy forgó cső venné körül.

Ha behajlítjuk a vezetéket kör alakúra, a cső is hajlik vele együtt, és a mágneses mező középen "összegződik".

Ampére annak idején előállt egy zseniális gondolattal: tudta, hogy az áram mágneses teret gerjeszt. Az áram mozgó töltések összessége, tehát a mezőt a mozgó töltések gerjesztik. Feltételezte, hogy az anyagban apró töltések keringenek, amik felfoghatók köráramoknak. Ezek az apró mágneses mezők összegződnek, és attól függően, mennyire rendezettek ezek a parányi "elemi mágnesek", lesz egyik vagy másik anyag mágneses. Abban az időben mit sem tudtak az anyag atomos szerkezetéről, ezért ez az ötlet zseniálisnak szamít.

Kicsit módosítva Ampére elméletét: az atommag körül keringő elektronok felelősek az anyag mágneses tulajdonságaiért, de valójában a mag körüli forgásuk elenyésző szerepet játszik. Tehát az elektronok saját tengely körüli forgása, a spinjük az, ami az erős mágneses teret kelti. 

Dehát akkor minden anyagot vagy vonzana a külső mágneses mező (rendezett elemi mágnesek), vagy semmilyen mágnesességet nem mutatna, mert a sok rendezetlenség miatt a kis elemi mágnesek kioltják egymást.

Ez nem egészen így van, és ezt ki is fejtem. 

Periodic table song

Az elemeknek különböző felépítésű az elektronszerkezete. Ismételjük át egy kicsikét az ismereteinket erről a témáról!

Az elektronok elektronhéjakon, azon belül elektronpályákon keringenek. Az egyes héjakon mindig páros számú pálya található, amiken egyszerre kettőnél több elektron nem keringhet. Ráadásul van egy további megkötés: az azonos pályán keringő elektronok csak ellenkező spinűek lehetnek.

Ez így azt jelenti, hogy az olyan anyagok, amelyeknek nincsen magányos elektronja, diamágnesesek, amiknek van, azok pedig paramágnesesek. Ez azonban így önmagában még mindig nem igaz.

Külső mágneses mezőbe helyezve bármilyen anyagot, egy icipici mágneses mező jön létre az elemi mágnesek körül, olyan, aminek az iránya mindig ellentétes az őt létrehozó mezőjével.

Tehát tulajdonképpen minden anyag diamágneses.

De ez a hatás nagyon apró, ezért a páratlan számú elektronnal rendelkező elemek elnyomják. Vagyis diamágneseseknek csak azokat az anyagokat nevezzük, ahol semmi sem tudja elnyomni ezt az apró indukált mágnesességet. 

Oké, de mi van a lebegő békával?

A képen látható békát A. Geim és M. Berry holland illetve brit tudósok 16 Tesla erősségű mágneses térbe helyezték. A békában lévő víz diamágneses, így a kedves kis állat megtapasztalhatta a lebegés élményét. Szerencsére semmi baja sem lett, sőt, a tudóspár 2000-ben "Egy béka mágneses erőtér segítségével kivitelezett lebegtetéséért." indoklással elnyerte az azévi Ignobel-díjat. 

Az Ignobel-díjat a Nobel-díj paródiájaként hoztak létre, kapcsolatuk hasonló, mint az Arany Málna díj és az Oscar viszonya. A nemzetközi tudományos élet azon szereplői részesülhetnek benne, akiknek tevékenysége értelmetlen felfedezésekhez, használhatatlan találmányokhoz vagy egészen egyszerűen mulatságos javaslatokhoz vezetett. Az alapszabály szerint olyan kutatással lehet elnyerni, amelyet nem lehet vagy nem érdemes megismételni. A legnevesebb tudományos kitüntetés komolytalanabb változatát azok a kutatók érdemelhetik ki, akik eredményei egyszerre késztetnek nevetésre és gondolkodásra is.

Magyar Ignobel-díjnak is örülhetünk, 1991-ben Teller Ede kapta a Béke Ignobelt, "A hidrogénbomba és a csillagháborús terv kitalálásáért, illetve egész életén át tartó munkásságáért, amivel megváltoztatta az emberiség békével kapcsolatos gondolatait." indoklással. 

Megjegyzések