Z060 - Lewitacja diamagnetyczna

Zestaw zawiera cztery magnesy neodymowe oraz dwie kwadratowe płytki (o boku około 5 mm) z grafitu pirolitycznego, który w temperaturze pokojowej jest jednym z materiałów o najsilniejszych właściwościach diamagnetycznych. Choć diamagnetyzm występuje we wszystkich substancjach, to zwykle jest maskowany przez silniejszy paramagnetyzm lub ferromagnetyzm. Zestaw ten pozwala w bardzo ciekawy sposób, poprzez lewitację diamagnetyczną, zademonstrować, na przykładzie grafitu, diamagnetyczne właściwości ciał – zjawisko wypychania diamagnetyka z niejednorodnego pola magnetycznego.

Jedną z wielkości fizycznych charakteryzujących właściwości magnetyczne ciał jest podatność magnetyczna. Im bezwzględna wartość podatności magnetycznej jest większa, tym ciało ulega w zewnętrznym polu magnetycznym silniejszemu namagnesowaniu. Ze względu na własności magnetyczne ciała możemy podzielić na ferromagnetyki, paramagnetyki i diamagnetyki. Ferro- i paramagnetyki ulegają namagnesowaniu tak, że są wciągane do niejednorodnego pola magnetycznego (przyciągane przez magnes). Dobrze znanym przykładem ferromagnetyka jest żelazo. Diamagnetyki natomiast zachowują się przeciwnie – wyindukowane w diamagnetyku pole powoduje jego wypychanie z zewnętrznego niejednorodnego pola magnetycznego (podatność magnetyczna diamagnetyków jest ujemna). Można to pokazać, wykorzystując zjawisko lewitacji diamagnetyka umieszczonego w odpowiednio ukształtowanym polu magnetycznym.
W temperaturze pokojowej jednym z materiałów o najsilniejszych właściwościach diamagnetycznych jest grafit pirolityczny. Jest to materiał syntetyczny. Otrzymuje się go poprzez osadzanie (na pokrywanych nim materiałach lub na specjalnych płytkach) atomów węgla pochodzących z termicznego rozkładu gazowych węglowodorów (np. znajdującego się pod niskim ciśnieniem, około 150 Pa, metanu ogrzanego do temperatury około 2000°C). Warstwa grafitu pirolitycznego przyrasta bardzo wolno, z szybkością około 0,001 mm/godz. Powstały w ten sposób grafit ma strukturę wysoce uporządkowaną. Przybiera postać leżących jedna na drugiej warstw złożonych z płaskich, heksagonalnych kryształów. Z tego powodu fizyczne własności grafitu pirolitycznego są silnie anizotropowe. Wartości podatności magnetycznej kilku przykładowych diamagnetyków:
woda -0,9 × 10^-5,
diament -2,1 × 10^-5,
złoto -3,4 × 10^-5,
bizmut -17 × 10^-5,
grafit pirolityczny równolegle do warstw -8,5 × 10^-5,
grafit pirolityczny prostopadle do warstw -45 × 10^-5.

Wykonanie doświadczenia

Cztery magnesy łączymy razem, jak na fotografii, biegunami naprzemiennie. Nad magnesami umieszczamy płytkę z grafitu pirolitycznego. 

Płytka utrzymuje się około 1 mm nad magnesami. Można to pokazać, przesuwając pomiędzy magnesami a płytką kartkę papieru.

Aby ułatwić umieszczenie płytki grafitowej nad magnesami, możemy najpierw położyć ją na kartce papieru, a następnie wraz z kartką umieścić na magnesach. Gdy płytka się nieco uniesie, kartkę papieru wysuwamy. Płytka z grafitu unosi się – lewituje – nad magnesami.

Wygląd produktu na zdjęciu może odbiegać od wyglądu produktu w rzeczywistości.