Paramagnetika a diamagnetika ve školním pokusu

Václav Houdek

Úvodním pokusem při výkladu magnetických vlastností látek a jejich chování v magnetickém poli je jednoduchý pokus, při němž pozorujeme vzorky různých lá­tek v blízkosti magnetu. Zjistíme, že některé se k magnetu silně přitahují (ocel, nikl aj.), zatímco jiné (měď, hliník, voda aj.) na přiblížení magnetu viditelně nereagují.

Na ZŠ se této druhé skupině látek již dále nevěnuje žádná pozornost. Na SŠ (G) je klasifikace látek z hlediska jejich magnetických vlastností provedena podrobněji [1, 2]. Vedle silně magnetických látek (feromagnetika) se stručně charakterizují i dva základní druhy látek slabě magnetických (paramagnetika a diamagnetika).

Pokusy, kterými demonstrujeme magnetické vlastnosti feromagnetických látek neči­ní prakticky žádné problémy. Vzorky feromagnetických látek lze získat velmi snad­no a potřebné pomůcky a přístroje pro obvyklé školní pokusy jsou též zpravidla běžně dostupné. Pro chování vzorků feromagnetických látek v magnetickém poli jsou charakteristické poměrně velké hodnoty sil a momentů sil, kterými působí vněj­ší magnetické pole na experimentální vzorky. Jejich demonstrace nebo měření proto nečiní žádné zvláštní nároky na experimentální techniku.

Jinak je tomu v případě, chceme-li demonstrovat alespoň základní magnetické vlast­nosti paramagnetických nebo diamagnetických látek. Síly, kterými působí nehomo­genní magnetické pole (např. tyčového magnetu) na vzorky těchto látek jsou (ve srovnání s látkami feromagnetickými) o mnoho řádů menší a k jejich spolehlivému prokázání školním pokusem je třeba zvolit dostatečně citlivou metodu a vzorky s nepříliš malou hodnotou magnetické susceptibility. Této podmínce dobře vyhovují některé soli (např. CuSO₄, FeSO₄, NiSO₄, NiCl₂, CoCl₂, FeCl₂), které obsahují para­magnetické ionty prvků první přechodné skupiny. Z diamagnetických látek by pro tuto demonstraci nejlépe vyhovovala tyčinka z bismutu (Bi) nebo antimonu (Sb). Ty­to materiály však ve školních kabinetech nebývají běžně k dispozici. V takovém pří­padě použijeme nejdostupnější diamagnetickou látku – čistou vodu (H₂O).

obr. 1

Pokus provedeme jednoduchými prostředky. Na tenkou nit délky asi 0,3 m horním koncem připevněnou ke stativu zavěsíme vahadlo (obr. 1), které zformujeme z mě­děného nebo hliníkového drátu (o průměru asi 2 mm) tak, aby na jeho koncích ve vzájemné vzdálenosti asi 14 cm vznikla „oka“, do nichž svisle zasuneme zkumavky jako nosiče vzorků paramagnetických a diamagnetických látek. Jednu zkumavku za­plníme asi do jedné třetiny paramagnetickou látkou, do druhé nalijeme vodu o při­bližně stejné hmotnosti.

Nejdříve ukážeme, že lze zavěšenou soustavu uvést do otáčivého pohybu velmi ma­lými silami. Stačí k tomu slabé proudění vzduchu vyvolané v blízkosti např. pohy­bem ruky nebo slabým fouknutím. Po uvedení soustavy do klidu přiblížíme opatrně z boku ke zkumavce s paramagnetickým vzorkem co nejsilnější permanentní mag­net ve směru jejího možného pohybu. Je-li magnet dostatečně silný, pozorujeme, že se zkumavka s paramagnetickým vzorkem dá do pohybu směrem k magnetu. Po opětovném zastavení soustavy postup opakujeme, ale tentokrát magnet přiblížíme na malou vzdálenost (1 mm až 2 mm) ke zkumavce s vodou. Nyní pozorujeme, že se zkumavka s vodou od magnetu vzdaluje. Abychom dosáhli dobře viditelné úhlo­vé výchylky, posunujeme magnet ve směru pohybu zkumavky tak, aby její vzdále­nost od magnetu byla stále malá a silové působení magnetu na vzorek bylo dosta­tečné. Po výměně vzorků za jiné (není obtížné získat několik paramagnetických solí) pokus opakujeme.

Z provedeného pokusu vyplývá, že i látky, které v úvodním pokusu na přiblížení magnetu viditelně nereagovaly nejsou nemagnetické, ale magnetují se ve vnějším magnetickém poli a chovají se určitým (pro ně charakteristickým) způsobem. Někte­ré se slabě k magnetu přitahují (paramagnetické látky), jiné se od magnetu odpuzují (diamagnetické látky).

Překvapivým výsledkem tohoto pokusu bývá pro studenty skutečnost, že se vzorky některých látek od magnetu odpuzují. Pozorovaný jev svědčí o tom, že se vzorek diamagnetické látky ve vnějším magnetickém poli zmagnetuje v opačném směru než vzorek paramagnetické látky, tj. magnetická indukce B uvnitř vzorku diamagnetické látky má opačný směr než magnetická indukce B₀ vnějšího magnetického pole, jímž je vzorek magnetován.

S využitím znalostí studentů o vzájemném chování např. tyčových magnetů může­me chování diamagnetického vzorku v blízkosti magnetu popsat též takto: přivráce­né magnetické póly zmagnetovaného diamagnetického vzorku a magnetu jsou sou­hlasné a proto převládá odpuzování. Z toho pak vyplývá, že diamagnetický vzorek je zmagnetován opačně než vzorek paramagnetický, tj. je zmagnetován „proti“ mag­netickému poli, které ho magnetuje.

Na závěr několik technických poznámek. Magnety ze standardní výbavy školních fyzikálních kabinetů lze uspokojivě ukázat chování vzorků (výše uvedených) para­magnetických látek. Jisté potíže mohou nastat v případě pokusu s vodou. Tento po­kus vyžaduje větší trpělivost a může ho narušit proudění vzduchu v místnosti, po­kud vyvolá otáčivý pohyb zavěšené soustavy. Tyto potíže nebudeme mít, opatříme-li si tzv. neodymový magnet (nebo jiný magnet na bázi vzácných zemin), který lze zakoupit (asi 1600 Kč) u některých u nás zastoupených firem prodávajících učební pomůcky. U povrchu tohoto magnetu jsme naměřili magnetickou indukci 350 mT, zatímco u povrchu školního tyčového magnetu (ALNICO) jen 70 mT.

Další poznámka se týká zkumavek. Sklo zkumavek je slabě diamagnetické. Součástí pokusu proto může být ukázka, kterou předvedeme, že je prázdná zkumavka od (silného) magnetu velmi slabě odpuzována. To znamená, že demonstrovaný efekt u paramagnetických vzorků mírně zmenšuje a u diamagnetických vzorků ho mírně zvětšuje.

Pokus lze různě modifikovat. Např. lze k vahadlu připevnit malé zrcátko a využít stopy od něho odraženého paprsku světla na stínítku nebo na stěně k prokázání i menších úhlových výchylek soustavy.

Poslední poznámka se týká závěsu. Po sestavení se zavěšená soustava zpravidla sa­movolně roztočí. Je to způsobeno nití. Po jejím „rozkroucení“ už tento jev nenastává.

Literatura:

1.    Lepil, O., Houdek, V., Pecho, A.: Fyzika pro 3. ročník gymnázií, SPN, Praha 1986.

2.    Lepil, O., Šedivý, P.: Fyzika pro gymnázia, Elektřina a magnetismus, Prometheus, Praha l994.