תולעת של אבקה

איך אפשר ליצור מאבקה "תולעת" הזוחלת על נייר? ומהו המבנה המיוחד של מגנטים למקרר?

ציוד:

• מגנטים מסוגים שונים (מגנטים למקרר, מגנטים ממשחקים שונים)
• נייר

אבקת חלודה או תחמוצת ברזל מגנטית, שאותה מכינים מ:

• צמר פלדה
• כף

• כפית

בנוסף: 

• צלחת / כוס חד פעמית
• מים

או

• צלחת חסינת אש
• מצית – בהשגת מבוגר בלבד

ראו בקישור: הוראות להכנת אבקת חלודה או תחמוצת מגנטית

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הסבר

כאשר אנו שורפים ברזל או גורמים לו להחליד, אנו הופכים אותו לתחמוצת ברזל (יש כמה תחמוצות שנוצרות). תחמוצת הברזל היא חומר יוני, וכמו כל החומרים היוניים היא מתאפיינת בפריכות – כלומר כאשר מפעילים עליה לחץ היא נשברת, לכן אפשר בקלות להפוך אותה לאבקה דקה, כפי שמודגם בניסוי לחשיפת קוד מגנטי בכרטיסי אשראי. אפשר לראות את התופעה גם עם מלח בישול, שגם הוא חומר יוני. נסו למחוץ כמה גרגירי מלח בין שתי כפיות או להכות בהם בפטיש – וראו איך המלח הופך לאבקה בקלות.

לאבקה של תחמוצת הברזל יש תכונה הנקראת פאראמגנטיות. ברגע שהיא מתקרבת למגנט היא הופכת למגנטית בעצמה, נדבקת למגנט או לגרגירי אבקה שכנים שגם הם הפכו להיות מגנטיים, אולם ברגע שהמגנט מתרחק – התכונות המגנטיות של האבקה נעלמות, והאבקה חוזרת להיות 'סתם' אבקה, בלי משיכה מגנטית בין הגרגירים.

לכן, כאשר מפזרים אבקה על נייר שמתחתיו מונח מגנט, האבקה הופכת מיד למגנטית בעצמה, נמשכת למגנט, ועוקבת אחרי תנועתו מתחת לנייר.

למגנטים יש שני קטבים – המכונים 'צפון' ו'דרום' (השמות ניתנו בשל השדה המגנטי של כדור הארץ). כאשר קוטב 'צפון' של מגנט אחד נמשך לקוטב 'דרום' של מגנט אחר, ואילו קטבים זהים (צפון וצפון, ודרום ודרום) מפעילים כוח דחייה זה כלפי זה. אבל התיאור שמגנט אחד נמשך ונדבק לקוטבו המנוגד של מגנט אחר הוא מעט פשטני. התמונה המדויקת יותר היא שמגנט אחד נוטה להסתדר לאורכם של השדות המגנטיים שסביב המגנט האחר: מעין קווים שיוצאים מקוטב אחד של המגנט אל עבר הקוטב השני במעגלים גדלים והולכים. הקווים מייצגים בעצם את העוצמה והכיוון של הכוח המגנטי שהמגנט יפעיל על מגנטים אחרים.

העוצמה והכיוון של הכוח המגנטי. הקווים של שדה מגנטי | מקור: ויקיפדיה

לכן, אם מפזרים בעדינות אבקה מגנטית מעל מגנט חזק, לעיתים רואים מעיין מבנה דמוי ענפי עץ – כאשר האבקה מסתדרת לאורכם של קווי השדה המגנטי.

כאשר מפזרים את האבקה מעל 'מגנטים למקרר' – ובעיקר כאשר מזיזים את המגנט – אפשר לראות תבנית של פסים או שורות. התבנית חושפת את המבנה המיוחד של המגנט – המכונה מערך האלבך, על שם אחד ממציאיו. מערך האלבך הוא למעשה סידור מיוחד של מגנטים רבים, שגורם לכך שיש שדה מגנטי חזק בצידו האחד, ושדה חלש מאוד בצד השני (נסו להדביק מגנט הפוך למקרר, כאשר הצד המודפס פונה לעבר דלת המקרר, ותראו שהוא לא נצמד).

במגנט למקרר המבנה הפנימי הוא כזה:

חתך רוחב של סידור המגנטים במערך האלבך במגנט שטוח למקרר | מקור: ויקיפדיה

כל חץ שחור מיצג את כיוון הצפון של המגנט. החצים האדומים מיצגים את כיוון השדה המגנטי.

כלומר, המגנטים בנויים כמשולשים, ומסודרים בשורות: צפון למעלה, צפון שמאלה, צפון למטה, צפון ימינה וחוזר חלילה. הסידור הזה גורם לשדה מגנטי חזק, המורכב מסכום השדות של שני מגנטים סמוכים, לעבור מחוץ למישור המגנט מצד אחד (החצים האדומים) – קווי שדה המחברים בין המגנט המסודר צפון למעלה למגנט המסודר צפון למטה, ומהצד השני, הסידור גורם לשדה המגנטי לעבור בתוך שטח המגנט למקרר, כמעט בלי לצאת החוצה – בתוך המגנטים צפון ימינה או צפון שמאלה.

זאת הסיבה שכשהצמדנו שני מגנטים למקרר אחד אל השני, כאשר השורות מקבילות זו לזו – הצלחנו להחליק אותם זה על גבי זה בכיוון הפסים, אולם בכיוון המאונך לכך הם 'מקפצים' ונדבקים חזרה – מקפצים: כאשר פסים בקוטביות זהה נמצאים זה מול זה (צפון מול צפון ודרום מול דרום), ונדבקים חזרה כאשר פסים בעלי קוטביות הפוכה נמצאים זה מול זה (צפון מול דרום). אם מסובבים ב-90 מעלות את אחד המגנטים, כבר אין פסים אלו מול אלו והתופעות נעלמות.