Mengapakah Magnet Jatuh Perlahan di Dalam Tiub Kuprum?

Bayangkan dua tiub yang sama panjang, satu diperbuat daripada plastik dan satu lagi daripada kuprum. Apabila magnet kecil dilepaskan ke dalam tiub plastik, magnet itu jatuh dengan cepat. Namun apabila magnet yang sama dilepaskan ke dalam tiub kuprum yang sesuai, pergerakannya menjadi jauh lebih perlahan.

Magnet itu tidak tersekat pada dinding tiub, dan kuprum pula bukan bahan feromagnet seperti besi. Perbezaan ini berlaku kerana pergerakan magnet menghasilkan kesan elektromagnet yang menentang gerakannya, iaitu melalui arus pusar.

Apa yang berlaku apabila magnet bergerak?

Setiap magnet menghasilkan medan magnet di kawasan sekelilingnya, dan medan itu boleh mempengaruhi bahan tertentu, termasuk bahan yang mengalirkan arus elektrik. Apabila magnet bergerak menghampiri atau menjauhi sesuatu kawasan, medan magnet yang melalui kawasan itu boleh berubah. Kuantiti yang menerangkan medan magnet yang menembusi sesuatu permukaan dikenali sebagai fluks magnet.

Perubahan fluks magnet boleh menghasilkan daya gerak elektrik teraruh, dan fenomena ini dikenali sebagai aruhan elektromagnet. Jika terdapat laluan pengalir yang lengkap, daya gerak elektrik teraruh itu boleh menyebabkan arus elektrik mengalir. Fenomena ini dirumuskan dalam hukum Faraday, yang menerangkan hubungan antara perubahan fluks magnet dengan daya gerak elektrik teraruh, dan disokong oleh pelbagai eksperimen elektromagnet.

Bagaimana arus pusar terbentuk?

Kuprum ialah pengalir elektrik yang baik. Apabila magnet jatuh melalui tiub kuprum, fluks magnet yang melalui bahagian-bahagian dinding tiub berubah, lalu menghasilkan arus elektrik teraruh di dalam kuprum. Arus itu boleh mengalir melalui laluan tertutup dalam dinding logam sehingga membentuk corak seperti pusaran, dan itulah sebab ia dinamakan arus pusar.

Tiub kuprum tidak perlu disambungkan kepada bateri untuk menghasilkan arus tersebut, kerana tenaga yang diperlukan datang daripada perubahan tenaga mekanik ketika magnet bergerak. Arus pusar juga tidak semestinya mengalir dalam satu laluan yang mengelilingi seluruh tiub. Arus itu membentuk laluan tertutup setempat yang corak sebenarnya bergantung pada bentuk tiub, kedudukan magnet dan taburan medan magnet.

Mengapa arus pusar memperlahankan magnet?

Arus elektrik yang mengalir menghasilkan medan magnetnya sendiri, dan arah medan magnet teraruh itu ditentukan oleh hukum Lenz. Hukum ini menyatakan bahawa kesan aruhan elektromagnet bertindak menentang perubahan fluks magnet yang menghasilkannya. Apabila magnet menghampiri sesuatu bahagian tiub, arus teraruh menghasilkan medan magnet yang menentang pertambahan fluks magnet pada bahagian itu, dan apabila magnet bergerak menjauhi bahagian tersebut, arah arus teraruh boleh berubah untuk menentang pengurangan fluks magnet.

Gabungan interaksi ini menghasilkan daya magnet bersih yang menentang pergerakan magnet melalui tiub. Ketika magnet jatuh, daya itu bertindak ke atas, berlawanan dengan arah pergerakan ke bawah. Graviti masih menarik magnet ke bawah, tetapi daya elektromagnet mengurangkan pecutan menurunnya. Jika daya yang menentang gerakan menjadi cukup besar untuk mengimbangi berat magnet, magnet boleh bergerak pada kelajuan hampir malar untuk sebahagian perjalanannya, dan fenomena ini dikenali sebagai pembrekan elektromagnet.

Ke manakah tenaga magnet yang jatuh itu pergi?

Magnet yang jatuh kehilangan tenaga keupayaan graviti. Jika magnet jatuh bebas tanpa rintangan yang ketara, sebahagian besar kehilangan tenaga keupayaan itu menjadi tenaga kinetik, lalu kelajuannya meningkat. Dalam tiub kuprum, arus pusar menghasilkan daya yang memperlahankan magnet, dan oleh sebab kuprum mempunyai rintangan elektrik, arus yang mengalir di dalamnya memindahkan tenaga kepada tenaga dalaman bahan sehingga menghasilkan pemanasan.

Maka sebahagian tenaga keupayaan graviti magnet akhirnya berubah menjadi tenaga dalaman tiub kuprum. Dalam demonstrasi biasa, peningkatan suhu itu mungkin terlalu kecil untuk dirasai dengan tangan. Fenomena ini tidak melanggar prinsip keabadian tenaga, kerana magnet tidak kehilangan tenaga secara misteri; tenaga dipindahkan melalui proses elektromagnet.

Adakah semua tiub menghasilkan kesan yang sama?

Tidak. Kesan pembrekan bergantung pada beberapa faktor, termasuk kekonduksian elektrik bahan, ketebalan dinding tiub, kekuatan magnet dan jarak antara magnet dengan dinding tiub. Tiub plastik tidak menghasilkan arus pusar yang ketara seperti tiub kuprum kerana plastik biasa ialah penebat elektrik, sedangkan aluminium juga boleh menghasilkan arus pusar kerana aluminium ialah pengalir elektrik. Oleh itu, kesan ini tidak memerlukan bahan yang boleh ditarik kuat oleh magnet.

Kajian fizik universiti turut menunjukkan bahawa bentuk dan ketebalan pengalir mempengaruhi daya pembrekan yang terhasil. Tiada satu kelajuan jatuh yang boleh digunakan untuk semua magnet dan tiub, kerana kelajuan sebenar bergantung pada keadaan eksperimen.