Magnes bez problemu przyciąga stalowy gwóźdź, spinacz czy żelazną śrubę, ale zwykle nie reaguje zauważalnie na aluminiową puszkę ani miedziany przewód. Nie oznacza to jednak, że aluminium i miedź są całkowicie obojętne na pole magnetyczne. Oba metale oddziałują z polem, lecz znacznie słabiej i w inny sposób niż żelazo.

Magnes nie przyciąga wszystkich metali

Popularne stwierdzenie, że „magnes przyciąga metale”, jest dużym uproszczeniem. Silne przyciąganie występuje przede wszystkim w ferromagnetykach, do których należą żelazo, kobalt i nikiel oraz wiele ich stopów. Podobnie silnie przyciągane są także ferrimagnetyki, na przykład magnetyt czy ferryty. W materiałach tych występują obszary nazywane domenami magnetycznymi. Każda domena jest już wewnętrznie namagnesowana, ale w nienamagnesowanym przedmiocie poszczególne domeny mogą być skierowane w różne strony, przez co ich działanie w skali całego materiału w dużej mierze się kompensuje.

Zewnętrzne pole magnetyczne może zmieniać strukturę domen i zwiększać udział tych ustawionych korzystnie względem pola. W efekcie pojawia się silne, łatwo zauważalne przyciąganie. Aluminium i miedź nie wykazują takiego uporządkowania magnetycznego.

 

Aluminium jest paramagnetykiem

Aluminium zalicza się do paramagnetyków. Oznacza to, że zewnętrzne pole magnetyczne wywołuje w nim bardzo słabe namagnesowanie skierowane zgodnie z polem. W odpowiednio niejednorodnym polu aluminium jest więc w rzeczywistości delikatnie przyciągane. Siła ta jest jednak tak mała, że podczas zwykłej próby z magnesem trzymanym w dłoni pozostaje praktycznie niezauważalna.

Miedź jest diamagnetykiem

Miedź zachowuje się nieco inaczej. Jest diamagnetykiem, czyli pod wpływem zewnętrznego pola pojawia się w niej bardzo słaba magnetyzacja skierowana przeciwnie do przyłożonego pola. W niejednorodnym polu oznacza to tendencję do przemieszczania się w stronę obszaru o słabszym polu – można więc powiedzieć, że miedź jest bardzo delikatnie odpychana przez magnes. Także tego efektu zazwyczaj nie sposób wyczuć podczas prostego doświadczenia.

 

Nie wystarczy spojrzeć na pojedynczy atom

W popularnych wyjaśnieniach magnetyzmu często mówi się jedynie o elektronach sparowanych i niesparowanych. Pomaga to zrozumieć podstawową ideę, ale w przypadku metali jest uproszczeniem. O ich właściwościach magnetycznych decyduje struktura elektronowa całego materiału oraz oddziaływania między elektronami w sieci krystalicznej, a nie tylko konfiguracja pojedynczego, izolowanego atomu.

Prądy wirowe – kiedy efekt staje się bardzo wyraźny

Sytuacja wygląda zupełnie inaczej, gdy magnes porusza się względem miedzi lub aluminium. Zmieniający się strumień magnetyczny indukuje w dobrze przewodzącym metalu prądy wirowe. Zgodnie z regułą Lenza wytwarzają one własne pole magnetyczne przeciwdziałające zmianie, która je wywołała.

Można to łatwo zobaczyć, wpuszczając silny duży magnes neodymowy do pionowej rury miedzianej. Zamiast swobodnie spaść, magnes opada znacznie wolniej, jakby poruszał się przez gęsty syrop. Podobne doświadczenie można przeprowadzić z odpowiednio grubą rurą aluminiową. Nie jest to jednak zwykłe przyciąganie miedzi lub aluminium przez magnes, lecz hamowanie elektromagnetyczne wywołane prądami wirowymi.

Tak właśnie oddziela się aluminium od odpadów

Zjawisko to znalazło praktyczne zastosowanie w sortowniach. Separatory wiroprądowe wykorzystują szybko zmieniające się pole magnetyczne do indukowania prądów w przewodzących metalach nieżelaznych. Powstające siły mogą odrzucać aluminiowe puszki i inne przewodzące elementy z głównego strumienia odpadów. Materiał, którego nieruchomy magnes praktycznie nie przyciąga, może więc bardzo silnie zareagować na szybko zmieniające się pole.

Podsumowanie

Aluminium i miedź nie są ferromagnetykami, dlatego nie przyczepiają się do magnesu tak jak żelazo czy typowa stal. Aluminium jest słabym paramagnetykiem, natomiast miedź diamagnetykiem. Jednocześnie oba metale są dobrymi przewodnikami, dlatego w zmiennym polu mogą powstawać w nich prądy wirowe i bardzo wyraźne siły. Brak widocznego przyciągania nie oznacza więc braku oddziaływania z polem magnetycznym.

Bibliografia

1. Ling S.J., Sanny J., Moebs W., „12.7 Magnetism in Matter”, University Physics Volume 2, OpenStax, Rice University. https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/12-7-magnetism-in-matter
2. Ling S.J., Sanny J., Moebs W., „12.7 Magnetyzm materii”, Fizyka dla szkół wyższych. Tom 2, OpenStax Polska. https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/12-7-magnetyzm-materii
3. Urone P.P., Hinrichs R., „Ferromagnets and Electromagnets”, College Physics 2e, OpenStax. https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/22-2-ferromagnets-and-electromagnets
4. Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, „Zapytaj Fizyka: Spadanie magnesu w rurze”. https://zapytajfizyka.fuw.edu.pl/pytania/spadanie-magnesu-w-rurze/
5. Urone P.P., Hinrichs R., „23.4 Eddy Currents and Magnetic Damping”, College Physics 2e, OpenStax. https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/23-4-eddy-currents-and-magnetic-damping