Pole magnetyczne to właściwość przestrzeni otaczającej magnesy trwałe oraz przewodniki, w których płynie prąd elektryczny. W polu tym na ładunek działają siły magnetyczne. Zwojnica, w której płynie prąd elektryczny, także wytwarza pole magnetyczne. Można przedstawić je za pomocą linii pola magnetycznego biegnących od bieguna N (północnego) do S (południowego).

Kiedy bateria zostaje umieszczona w zwojnicy tak, że jej końce są zwarte przez drut tworzący zwojnicę, we fragmencie zwojnicy zaczyna płynąć prąd (kierunek przepływu prądu zależy od tego, który biegun baterii skierowany jest do wewnątrz zwojnicy). Jednocześnie wytwarzane jest pole magnetyczne, którego linie wewnątrz zwojnicy są prawie równoległe, stąd pole magnetyczne wewnątrz przewodnika, jak na ilustracji 1, jest przybliżeniu jednorodne. Powstaje dipol magnetyczny – położenie biegunów zależne jest od kierunku przepływu prądu. Pole magnetyczne zwojnicy oddziałuje z polem magnetycznym wytwarzanym przez każdy z doczepionych do baterii magnesów pastylkowych, co determinuje zdolność „pociągu” do poruszania się w zwojnicy.

Na schemacie bateria skierowana jest biegunem dodatnim do środka zwojnicy. Zaznaczono także, w którą stronę zwinięty jest drut. Oba te aspekty determinują kierunek przepływu prądu (zaznaczony czerwona strzałką), a tym samym ułożenie biegunów magnetycznych zwojnicy, od którego z kolei zależy to, w jaki sposób należy prawidłowo doczepić magnesy do baterii. Na schemacie przedstawiono przypadek, gdzie konieczne było doczepienie magnesów pastylkowych do baterii biegunami N. Dzięki temu z przodu „pociągu” bieguny jednoimienne (biegun północny magnesu z biegunem północnym zwojnicy) odpychają się, a z tyłu bieguny różnoimienne (biegun północny magnesu z biegunem południowym zwojnicy) przyciągają się. Siła działająca na pociąg skierowana jest zatem do wewnątrz zwojnicy. Warto zauważyć, że prąd płynie jedynie w krótkim fragmencie całej zwojnicy – obejmującym długość baterii wraz z magnesami. Ponieważ w trakcie przemieszczania się pociągu dotyka on ciągle kolejnych zwojów, w tych zwojach płynie prąd i wytwarza się dipol magnetyczny. Ruch może trwać zatem do momentu, gdy pociąg dotrze do końca zwojnicy.

Podczas przemieszczania się pociągu pojawia się zjawisko indukcji magnetycznej. Polega ono na wytwarzaniu elektryczności przez zmienne pole magnetyczne. Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya opisuje zjawisko tworzenia prądu w pętli przewodnika umieszczonej w zmiennym polu magnetycznym – mówi o tym, że zmiana w czasie strumienia magnetycznego w obwodzie zamkniętym indukuje siłę elektromotoryczną SEM, równą, co do wartości, szybkościzmian strumienia. SEM to inaczej praca wykonana w celu wytworzenia prądu (w przeliczeniu na jednostkę ładunku). (Skorko, 1978)

Z kolei reguła Lenza mówi o tym, że zmiana indukcji magnetycznej w danym obszarze skutkuje powstawaniem otaczającego go wirowego pola elektrycznego. Pole to wzbudza prąd elektryczny przeciwstawny tej zmianie, co widoczne jest na Rys.2: podczas zbliżania magnesu wytwarzane jest pole magnetyczne przeciwstawne do pola magnesu indukujące prąd elektryczny. (Skorko, 1978)

Podobnie dzieje się w przypadku pociągu elektromagnetycznego. Bateria wraz z magnesami porusza się względem zwojnicy. Gdy magnes zbliża się do danego elementu zwojnicy, pole magnetyczne w tym obszarze rośnie, a gdy magnes oddala się od tego elementu, pole magnetyczne w tym obszarze maleje. Pętle przewodnika znajdują się zatem w zmiennym polu magnetycznym. Stąd w zwojach powstaje prąd indukcyjny i pojawia się pole magnetyczne, które oddziałuje na magnesy z siłą skierowaną przeciwnie niż prędkość pociągu. Siła oddziaływania pola magnetycznego zwojnicy z magnesami– czyli siła ciągu - jest równoważona przez siłę wynikającą z oddziaływania magnetycznego między magnesem a elementem zwojnicy, w którym powstaje prąd indukcyjny, oraz przez siłę tarcia co zgodnie z I prawem dynamiki Newtona sprawia, że ruch pociągu jest jednostajny.

Pytanie badawcze: W jaki sposób parametry takie jak liczba użytych magnesów, ich konfiguracja, masa pociągu oraz napięcie baterii wpływają na moc i prędkość "magnetycznego" pociągu?

Hipoteza:

• Im większa jest liczba magnesów, tym większa jest moc i prędkość pociągu. Wyjaśnienie: każdy magnes wytwarza własne pole magnetyczne, dlatego każdy dołożony magnes będzie wzmacniał to pole, a tym samym przyczyniał do zwiększenia skali oddziaływań między magnesami a zwojnicą.
• Im większa jest masa pociągu, tym mniejsza będzie moc i prędkość pociągu. Wyjaśnienie: Zwiększenie masy pociągu wpływa na zwiększenie oporów ruchu (siły tarcia). Ponadto, zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona: a=F/m, co oznacza, przyspieszenie jest odwrotnie proporcjonalne do masy.
• Im większe jest napięcie, tym większa jest moc i prędkość pociągu. Wyjaśnienie: Im większe jest napięcie baterii, tym większe jest natężenie prądu w zwojnicy. Tym samym zwiększa się wartość indukcji pola magnetycznego (wzór: B=μ₀μ_rNl, gdzie B - indukcja pola magnetycznegi, N - natężenie prądu elektrycznego ), która jest wprost proporcjonalna do indukcji pola. Jeśli indukcja pola magnetycznego zwojnicy ma większą wartość, również skala oddziaływań z magnesami pociągu, będzie większa.

Zależna: Moc i prędkość pociągu.

Sposób pomiaru prędkości – zbadanie czasu przejazdu pociągu na określonej drodze i obliczenie prędkości ze wzoru:

gdzie: s – droga, t - czas S

posób pomiaru mocy:

1. zbadanie siły oddziaływania magnesów ze zwojnicą
2. obliczenie mocy ze wzoru:

gdzie: P – moc, W – praca, t – czas, F – siła, s – przemieszczenie, v - prędkość

Niezależna:

1. Liczba magnesów (zakres: 0/1/2/3/4/5 magnesów z każdej strony)
2. Masa pociągu (zakres: bateria obciążona 5 magnesami/bateria obciążona 5 magnesami oraz bloczkami szklanymi)
3. Napięcie baterii (zakres: bateria 1,5V, bateria 3V)

Użyte materiały: baterie o napięciu 1.5 V, bateria o napięciu 3 V, 10 szt. magnesów 12 mm x 4mm), szpula nieizolowanego drutu miedzianego nawojowego, marker lub inny walcowaty przedmiot, 3 szt. bloczków szklanych 1 cm x 1 cm x 1,5cm, stoper, linijka.

Przed przystąpieniem do badań należało wykonać zwojnicę. Miedziany drut nawojowy został najpierw przygotowany poprzez zdjęcie izolacji za pomocą nożyka. Następnie został nawinięty na metalową rurkę, wybranej tak, aby jej średnica była zbliżona (nieznacznie większa) od średnic dostępnych baterii, które miały zostać użyte w doświadczeniu. Drut został nawinięty tak gęsto, jak było to możliwe, a następnie zsunięty z rurki. W ten sposób powstała zwojnica, która miała stanowić „tor” pociągu elektromagnetycznego.

Doświadczenie rozpoczęliśmy od zmierzenia siły oddziaływania zwojnicy, w której płynie prąd elektryczny, z pojedynczym magnesem pastylkowym. Do zwojnicy, która miała zostać użyta w doświadczeniu podłączyliśmy baterię (tę samą, która później miała być wykorzystywana podczas badań). Bateria została podłączona na zewnątrz zwojnicy. Stworzony obwód elektryczny obejmował liczbę zwojów, która przypada na całkowitą długość takiej baterii. Określiliśmy kierunek przepływ prądu we fragmencie zwojnicy. Na siłomierzu zawiesiliśmy pojedynczy magnes pastylkowy tak, aby był skierowany do dołu biegunem południowym, co określiliśmy na podstawie kierunku przepływu prądu. Chcieliśmy, aby magnes i zwojnica odpychały się od siebie. Aby określić biegun magnesu pastylkowego, posłużyliśmy się innym magnesem o oznaczonych biegunach. Siłomierz z zawieszonym magnesem połączyliśmy plastikową rurką tak, aby stanowiła jego przedłużenie. Trzymaliśmy plastikową rurkę tak, aby wiszący w niej magnes znajdował się jak najbliżej wylotu zwojnicy. Obserwowaliśmy zachowanie magnesu, a także zmiany na siłomierzu.

Magnes i zwojnica odpychały się, co sprawiało, że magnes zawieszony na siłomierzu poruszał się. Można było zaobserwować ruch magnesu w górę. Siłomierz wskazywał wówczas zmianę 0,1 N. Oznacza to, że siła odpychania pojedynczego magnesu i zwojnicy wynosi 0,1 N – taka sama jest siła ich wzajemnego przyciągania. Wynik ten posłużył później do zbadania mocy pociągu.

Aby w dalszej części doświadczenia móc wykonać obliczenia z wykorzystaniem wzoru na siła tarcia, zważyliśmy za pomocą wagi laboratoryjnej dostępne magnesy pastylkowe oraz baterie 1,5 V oraz 3V.

Następnie przystąpiliśmy do badań nad wpływem różnych parametrów na moc i prędkość pociągu. Badania zostały podzielone na 3 części – każda z nich sprawdzała wpływ jednego parametru.

Przy braku przyczepionych do baterii magnesów pociąg nie porusza się w cewce. Gdy przyczepionym jest po jednym magnesie z każdej strony, pociąg porusza się tylko, jeśli zostaje popchnięty przez eksperymentatora. Przy dwóch magnesach z każdej strony także nie porusza się samodzielnie. Dla trzech i więcej porusza się płynnie. Wraz ze zwiększeniem liczby magnesów do 4, wzrasta też prędkość.

Poza tym, została obliczona także siła tarcia. W tym celu w zwojnicy popchnięta została rozładowana bateria, do której przyczepione zostały magnesy (w odpowiedniej liczbie). Zmierzony został czas, do momentu zatrzymania się baterii oraz droga, którą przebyła bateria. Na podstawie tych danych oraz danych dotyczących masy pociągu, można było obliczyć siłę tarcia.

Obliczenia mocy pociągu:

Przykład: obliczenia mocy dla pięciu magnesów po jednej stronie baterii:

Przykładowe obliczenia siły tarcia:

Dla pięciu magnesów po jednej stronie baterii:

Bateria o mniejszej masie porusza się w cewce szybko i płynnie. Gdy pozostawimy liczbę magnesów (łącznie 10), natomiast obciążymy tę samą baterię trzema bloczkami szklanymi okaże się, że pociąg porusza się wolniej – jednak nie są to duże różnice. Wykazują je dopiero obliczenia.

Bateria 1,5 V użyta także w doświadczeniach 1 i 2, zachowuje się podobnie jak poprzednio. Porusza się, przy doczepionych łącznie 10 magnesach szybko i płynnie. Gdy wymienimy baterię na inną, o napięciu 3V okaże się, że nowy pociąg porusza się jeszcze szybciej i płynniej.

Można zauważyć, że pociąg porusza się tylko wtedy, gdy magnesy są skierowane do baterii tymi samymi biegunami. Co więcej, „prawidłowe” ułożenie magnesów (czy powinny być skierowane do baterii biegunem południowym czy północnym) zależy od tego, którym biegunem bateria skierowana jest do środka zwojnicy. Np. jeśli bateria skierowana była do środka zwojnicy biegunem dodatnim, magnesy musiały być skierowane do baterii biegunami północnymi (południowe były skierowane do zewnątrz baterii). Przy odwrotnym ustawieniu magnesów lub odwróceniu baterii (tak, że skierowana była do środka zwojnicy biegunem ujemnym), bateria była wypychana z cewki.

Hipoteza została częściowo potwierdzona przez wyniki badań. Wykazały one, że zgodnie z założeniem, zwiększenie liczby magnesów przyczynia się do zwiększenia prędkości i mocy „pociągu”. Jak wynika z dokonanych na samym początku pomiarów, każdy pojedynczy magnes przyczynia się do zwiększenia oddziaływań między „pociągiem”, a zwojnicą. Warto także wspomnieć, że aby zbudować poruszający się pociąg, należy użyć odpowiedniej liczby magnesów, gdyż nie każda liczba magnesów pozwala na pokonanie oporów ruchu. Na przykład konstruowany przez nas pociąg (bateria 1,5 V o znanej masie), wymagał co najmniej 2 magnesów przyczepionych po każdej stronie, aby mógł się poruszać. Pomimo wzrastającej (wraz z liczbą magnesów) siły tarcia, masa i prędkość pociągu rosły.

Zwiększenie masy, zgodnie z przewidywaniami, przyczyniło się do zmniejszenia prędkości pociągu oraz do zmniejszenia jego mocy. W wyjaśnieniu hipotezy podaliśmy, że to zwiększenie siły tarcia (spowodowanej wzrostem masy) będzie się do tego przyczyniać. Badania (zarówno w doświadczeniu 1, jak i 2) również wykazały, że przy wzroście masy pociągu, siła tarcia rośnie, co stanowi potwierdzenie tego założenia.

Zwiększenie napięcia baterii przyniosło skutek odwrotny od oczekiwanego – dla baterii o wyższym napięciu prędkość i moc pociągu były mniejsze niż dla baterii o napięciu niższym. W wyjaśnieniu hipotezy podaliśmy, że zwiększenie natężenia prądu przyczyni się do zwiększenia indukcji magnetycznej pola, co miało przynieść podobny skutek, jak gdyby do baterii dołożono więcej magnesów. Ta część hipotezy nie została zatem potwierdzona.

• E – lekcja, Reguła Lenza – prezentacja zjawiska, [online], dostępne na: http://indukcja.cba.pl/regulalenza.php
• Fizykon.org, Tabela z wzorami z fizyki,[online], dostępne na: http://www.fizykon.org/wzory/wzory_kinematyka.htm, [dostęp: 21.10.2015]
• Rozumiem – fizykę, Prawo indukcji elektromagnetycznej, [online], dostępne na: http://www.rozumiem-fizyke.yum.pl/prawo-indukcji-elektromagnetycznej,[dostęp: 27.12.2015]
• Skorko M., 1978, Fizyka, PWN, Warszawa
• Skull in the stars, 12th December 2014, The mystery of the magnetic train, [online], dostępne na: http://skullsinthestars.com/2014/12/12/the-mystery-of-the-magnetic-train/, [dostęp: 27.12.2015]