Lenzův zákon netradičně

Provedení experimentu

Experiment provedeme ve dvou krocích. V prvním kroku nebudeme používat hrnec. Nejdříve žáky připravíme na to, že budou počítat počet kmitů kyvadla tvořeného magnetem a provázkem do jeho zastavení. (V případě potřeby zopakujeme, co je doba jednoho kmitu a co je doba jednoho kyvu.) Poté magnet vychýlíme z rovnovážné polohy do určité výšky a uvolníme. Kyvadlo s magnetem začne kývat a žáci počítají jeho aktuální kmity. Je zřejmé, že takto vyrobené kyvadlo kýve s relativně malým tlumením. Proto je z časových důvodů vhodné poté, co kyvadlo vykoná např. 15 až 20 kmitů, experiment přerušit a kyvadlo ustálit v rovnovážné poloze.

Druhý krok experimentu začneme tím, že žákům ukážeme, že magnet a hrnec se navzájem nepřitahují: hrnec držíme v ruce a zespoda k němu přiblížíme magnet – ten se ovšem k hrnci nepřitáhne. Právě z tohoto důvodu je nutné volit hrnec z nerez oceli (obecně z neferomagnetického materiálu); pokud bychom použili hrnec z feromagnetického materiálu, nebude experiment průkazný.

Pak umístíme pod zavěšený magnet hrnec (viz obr. 3) a opět vyzveme žáky, aby počítali kmity, které kyvadlo tvořené provázkem a magnetem vykoná od začátku pohybu do svého zastavení. Magnet proto vychýlíme z rovnovážné polohy a snažíme se, aby počáteční výchylka magnetu byla stejná jako v prvním kroku experimentu. Magnet uvolníme a žáci s překvapením zjistí, že se kyvadlo zastavilo po vykonání pouhých několika kmitů. Počet kmitů, které kyvadlo v tomto případě vykoná, je závislý na počáteční výchylce kyvadla, kvalitě magnetu a vzdálenosti magnetu od dna hrnce, nad kterým se magnet pohybuje.

Vysvětlení experimentu 

Před vysvětlením právě provedeného experimentu by bylo vhodné společně se žáky rozebrat vzájemnou interakci dvou magnetů. Uvažujme pro snadnější grafické zobrazení dva tyčové magnety, které se mohou vzájemně odpuzovat nebo přitahovat. Situaci pro dva navzájem se odpuzující magnety zobrazuje schematicky obr. 4, na kterém je zobrazeno několik magnetických indukčních čar obou magnetů a také vektory magnetických indukcí obou magnetů. Z obr. 4 je zřejmé, že pokud se dva magnety navzájem přitahují, jsou vektory jejich magnetických indukcí orientovány navzájem opačným směrem.

Analogicky je na obr. 5 zobrazena schematicky situace pro dva navzájem se přitahující magnety. Je zřejmé, že v tomto případě jsou vektory magnetických indukcí obou magnetů orientovány stejným směrem. Tento poznatek využijeme k vysvětlení provedeného experimentu.

Magnet pohybující se nad hrncem ve druhém kroku experimentu zastavil po relativně krátké době. To ovšem znamená, že na něj musela působit relativně velká síla, která jeho pohyb zbrzdila. Odporová síla vzduchu to být nemohla, protože ta působila na kývající se magnet i v prvním kroku experimentu, a přesto se magnet kýval relativně dlouhou dobu s velmi malým tlumením. Proto pohyb magnetu ve druhém kroku experimentu musela tlumit jiná síla. Pokud probereme všechny možné síly, které připadají v úvahu, zjistíme, že jediná z nich, která mohla zastavit magnet, je síla magnetická. A tato síla přitom musela mít původ ve vzájemném silovém působení magnetu a hrnce a navíc musela být přitažlivá.

Proto lze soudit, že při pohybu magnetu v okolí hrnce vzniklo kolem něj magnetické pole. Na základě analogie s navzájem interagujícími magnety (viz obr. 4 a obr. 5) muselo být magnetické pole hrnce orientováno stejně jako magnetické pole magnetu; jinak by totiž magnetická síla působící mezi magnetem a hrncem nebyla přitažlivá.

Shodně orientované magnetické pole hrnce ve srovnání s magnetickým polem magnetu ovšem potvrzuje platnost Lenzova zákona: systém se snaží zachovat původní stav, ve kterém se nacházel. Při pohybu magnetu nad hrncem se hrnec nacházel v nestacionárním magnetickém poli. To začalo vlivem tlumení pohybu magnetu slábnout, v důsledku čehož se ve dně hrnce indukovaly tzv. vířivé (Foucaltovy) proudy takového směru, že jimi vytvořené magnetické pole mělo takový směr, aby se zachoval původní stav systému. 

Tento princip vzniku vířivých proudů a interakce jimi vytvořeného magnetického pole s okolím má své využití i praxi (indukční brzdy v tramvajích, brzdění pohybu kotoučku elektroměru, …). 

https://audiovideo.rvp.cz/frontend/video_iframe.php?id=355&vyska=480&sirka=640