Ako môže žaba levitovať?

11.5.2011 14:10:05 | * q
| Počet zobrazení: 3233x

Odpovedá Mário ZIMAN z Fyzikálneho ústavu SAV

 

Už od čias starých Grékov vieme, že dva magnety sa môžu jednak priťahovať a jednak odpudzovať. Záleží od ich vzájomnej polohy. Hovoríme, že magnet má svoj severný a južný pól. Ak natočíme magnety navzájom opačnými pólmi, tak sa pritiahnu. Ak ich však natočíme k sebe rovnakými pólmi, tak sa budú odpudzovať. Našli sme protisilu? Vyzerá to jednoducho. Stačí zobrať dva magnety a položiť ich na seba tak, aby mali rovnako orientované póly. Magnetické odpudzovanie bude pôsobiť proti gravitačnej sile. Pri istej kritickej vzdialenosti magnetov sa sily vyrovnajú a jeden magnet bude levitovať nad druhým.
Sú tu však dve ale.
Po prvé, žaba nie je magnet, teda dve žaby na seba magneticky nijako nepôsobia. Takže opísaný magnetický spôsob levitácie pre žaby určite nefunguje. Navyše, tento spôsob nefunguje ani pre magnety. Jednoducho nedokážeme nad seba položiť dva magnety smerujúce k sebe rovnakými pólmi. Táto poloha je veľmi nestabilná. Magnetické siločiary, ktoré nám ukazujú, ktorým smerom magnetická sila pôsobí, sú vždy uzavreté. To znamená, že kým gravitačná sila pôsobí v podstate kolmo na zemský povrch, odpudivá magnetická sila nepôsobí celkom presne oproti. Toto spôsobuje, že ich spoločné pôsobenie sa nedokáže úplne vyrušiť a magnety sa rozletia, prípadne sa horný magnet natočí opačným pólom a pritiahne sa k spodnému magnetu. Na tento fakt prvýkrát prišiel anglický matematik Samuel Earnshaw v roku 1842.
Ako je teda možné, že žaba levituje v magnetickom poli napriek tomu, že nie je magnetická? Odpoveďou je diamagetizmus. Napriek tomu, že iba máloktoré látky sú magnetické, tak všetky akýmsi spôsobom (poväčšine veľmi malým) reagujú na prítomnosť magnetického poľa. Ak dáme k sebe dva klince, tak sa nič veľkolepé nestane. Klinec sa však okamžite pritiahne k magnetu. Samotný klinec nie je magnetom, ale v magnetickom poli sa ním v podstate stáva. Látkam s podobnými vlastnosťami hovoríme feromagnetiká. Okrem feromagnetizmu poznáme aj takzvaný paramagnetizmus, ktorý vykazuje podobné (príťažlivé) správanie v magnetickom poli. Rozdiel medzi feromagnetikom a paramagnetikom je ten, že feromagnetické látky vytvárajú (dočasné) magnetické pole aj po odstránení magnetu. Keďže však sila, ktorá vznikne medzi magnetom a feromagnetikom alebo paramagnetikom, je vždy príťažlivá, tak tieto látky nie sú vhodné na pokusy s levitovaním. Byť feromagnetikom alebo paramagnetikom je istou výsadou. Všetky látky však vykazujú tzv. diamagnetické vlastnosti.
Diamagnetizmus je zvyčajne veľmi slabý prejav látky, ale presne opačný ako feromagnetizmus a paramagnetizmus. Diamagnetické látky zmenšujú magnetické pole, v ktorom sa nachádzajú, a magnetické pole ich odpudzuje. Správajú sa ako antimagnety.
Medzi silnejšie diamagnetiká zaraďujeme napríklad aj vodu. Najsilnejším diamagnetikom, ktoré dnes poznáme, je pyrolitický grafit. Diamagnetizmus je v istom zmysle magnetickou verziou zákona akcie a reakcie (tzv. Lenzov zákon) na mikroskopickej úrovni. Akcia vo forme magnetického poľa vyvolá v látke reakciu vo forme indukovaných mikroprúdov, ktorá v konečnom dôsledku pôsobí proti nej. Vieme vytvoriť také magnetické pole, aby vplyvom reakcie diamagnetika vznikla stabilná poloha pre levitujúce diamagnetikum. Keďže výsledná odpudivá sila je úmerná veľkosti magnetického poľa, tak diamagnetické levitovanie je iba otázkou našich možností vytvárať silné magnetické polia. Čerstvý Nobelista Andrej Geim
vo svojich experimentoch najprv levitoval kvapky vody a nakoniec v roku 1997 nechal levitovať aj žabu. Ako každá živá hmota aj žaba sa skladá najmä z vody, a preto jej diamagnetické prejavy nie sú úplne zanedbateľné. Potreboval na to magnetické pole 16 tesla, ktoré sa v prírode nevyskytuje (známe materiály majú najviac okolo 1 tesla). Vytvoril ho pomocou silných elektromagnetov. Podľa jeho odhadov by na levitáciu človeka pomocou jeho diamagnetických vlastností bolo potrebné vytvoriť magnetické pole okolo 40 tesla, čo by však spotrebúvalo relatívne obrovské množstvo energie.