Demonstrace vlastností diamagnetických a paramagnetických látek
Pokus číslo: 971
Cíl pokusu
Pokus ukazuje chování diamagnetické a paramagnetické látky ve vnějším magnetickém poli.
Teorie
Z pohledu magnetických vlastností existují tři základní skupiny látek: diamagnetické, paramagnetické a feromagnetické. Magnetické vlastnosti závisí na struktuře elektronového obalu atomu a uspořádání atomů ve struktuře látky. Paramagnetické a feromagnetické látky se skládají ze stejného typu atomů, liší se však jejich uspořádáním. Magnetické vlastnosti dané látky lze charakterizovat pomocí tzv. relativní permeability \(\mu_\mathrm{r}\) daného materiálu. Vzhledem k tomu, že relativní permeabilita diamagnetických a paramagnetických látek se od 1 liší jen velmi málo, udává se často tzv. magnetická susceptibilita \(\chi_\mathrm{m}\) jako rozdíl mezi relativní permeabilitou a 1:
\[\mu_\mathrm{r}=1+\chi_\mathrm{m}\]Relativní permeabilita i magnetická susceptibilita jsou bezrozměrné veličiny.
Diamagnetické látky mají relativní permeabilitu mírně menší než 1 (tj. jejich susceptibilita je záporná), což znamená, že nepatrně zeslabují okolní magnetické pole. Pokud k diamagnetické látce přiblížíme magnet, bude se od něj slabě odpuzovat. Mezi diamagnetické látky patří např. voda, bismut, grafit, měď či rtuť.
Paramagnetické látky mají relativní permeabilitu mírně větší než 1, což znamená, že nepatrně zesilují vnější magnetické pole. Pokud k paramagnetické látce přiblížíme magnet, bude se k němu mírně přitahovat. Mezi paramagnetické materiály patří např. modrá skalice, hliník, platina, chrom a další.
Pro měření přitažlivé nebo odpudivé síly mezi magnetem a vzorkem kovu lze použít váhy. Změna výchylky na vahách pak odpovídá přitažlivé nebo odpudivé síle.
Pomůcky
- neodymový magnet
- váhy s citlivostí alespoň 0,01 g
- vzorek bismutu
- vzorek chromu nebo jiného paramagnetického materiálu
- nemagnetický stojánek (na obr. 1 plastový kelímek)
Použité kovy
Vhodným diamagnetickým materiálem je bismut – stříbrošedý kov, dostupný buď v kouscích nebo jehličkách (obr. 2). Magnetická susceptibilita bismutu je −170·10-6.
Jako paramagnetický vzorek byla zvolena „rekonstrukční chirurgická dlaha“ (obr. 3) vyrobená z neferomagnetické nerezové oceli a paramagnetického chromu. Lze samozřejmě použít i samotný chrom. Magnetická susceptibila chromu je +320·10-6.
Postup
- Vyzkoušíme, jak vysoko nad váhy je potřeba posunout magnet, aby už neovlivňoval desku vah. Poté na váhy umístíme dostatečně vysoký stojánek (tak, aby na něm položený magnet už váhy neovlivňoval, obvykle stačí přibližně 25 cm).
- Na stojánek položíme vzorek bismutu a váhy vytárujeme.
- K bismutu přibližujeme shora neodymový magnet a pozorujeme výchylku na vahách.
- Body 2 a 3 zopakujeme s paramagnetickým vzorkem (kouskem chromu).
Vzorový výsledek
Možné provedení pokusu je vidět na videu:
Technické poznámky
Pokud váhy nejsou schopny zobrazit zápornou výchylku, nenulujeme je na počátku experimentu, ale měříme rozdíl hodnot na začátku a po přiblížení magnetu.
Naměřená síla je velmi malá, pohybuje se v řádech jednotek mN pro vzorky o hmotnosti několika desítek gramů. Proto je potřeba použít váhy s citlivostí alespoň 0,01 g, lépe 0,001 g.
Vzhledem k tomu, že síla mezi magnetem a vzorkem kovu je velmi malá, je vhodné použít silný magnet a přiblížit ho ke vzorku blízko, ale tak, aby se vzorku nedotkl.
