En primer lloc, cal que el tub de coure o d'alumini tingui un diàmetre prou ample perquè hi passi un imant o un conjunt d'imants de neodimi amb forma cilíndrica. En l'experiment s'ha fet servir un tub d'alumini d'1,5 cm de diàmetre interior i de 40 cm de longitud.
Per penjar-lo cal fer dos petits forats oposats en un extrem, amb una broca per a metalls, i passar-hi un fil de niló, del tipus fil de pescar.
El sensor de força de l'equip cal que estigui configurat de la manera següent:

• Estirar positiu: màxim 10 N.
• Freqüència de captació: 25 mostres per segon.
  

Trobareu la informació necessària sobre l'equip en aquest document .

Abans de fer l'experiment, els estudiants han d'haver comprovat que l'imant tarda més temps a recórrer la longitud del tub metàl·lic que la d'un tub igual però no metàl·lic.
Perquè puguin fer alguna predicció, convé assenyalar que hi ha una força que actua sobre l'imant que és exercida pels corrents induïts en el tub, i que aquesta força tindrà la reacció corresponent, que ha de ser la força que l'imant fa sobre el tub.

Heu vist com un imant, en caure per un tub metàl·lic no fèrric, com ara d'alumini o coure, ho fa a una velocitat menor que per un tub no metàl·lic. Això s'explica per la formació de corrents induïts en el tub, que es comporta com una bobina de moltes espires i molt juntes. S'hi creen corrents de Foucault, que són la causa que l'imant es freni.
Es penja el tub d'un sensor de força. Si hi ha una força que el tub produeix i que actua sobre l'imant, aquesta ha de tenir una reacció, que serà la que l'imant produeix i actuarà sobre el tub.
La parella de forces acció-reacció és:

• Força del tub sobre l'imant Força de l'imant sobre el tub

  
  Feu una predicció sobre el que ens marcarà el sensor de força abans de deixar caure l'imant, mentre cau l'imant i un cop l'imant ha travessat el tub. La predicció la podeu fer indicant en un gràfic la força que marcarà el sensor en funció del temps que estarà activat (vegeu la figura 2).
  

En la figura 3 feu un diagrama clar amb totes les forces que intervenen en el procés: pes de l'imant, pes del tub, forces magnètiques i totes les seves reaccions.

 

 

En iniciar l'experiència, heu mesurat els pesos de l'imant i del tub. Ara comproveu el que ha de marcar el sensor mentre l'imant cau a una velocitat constant.

En la figura 4 es representen les espires (imaginàries) per on circulen els corrents induïts de Foucault; indiqueu el sentit de rotació del corrent i expliqueu-ne el perquè.

Mentre l'imant cau, els corrents induïts (de dalt i de baix) actuen com si es tractessin d'imants. Els podeu dibuixar, a la figura 5, amb la seva polaritat correcta? Raoneu-ho.

Si feu un balanç energètic de l'imant, comprovareu que sembla que l'energia no es conservi atès que l'imant cau a una velocitat constant: inicialment té una energia potencial gravitatòria i energia cinètica, i finalment disminueix l'energia potencial gravitatòria però manté l'energia cinètica. En què s'ha transformat l'energia que s'ha perdut en la caiguda de l'imant?

Quina gràfica s'obté amb el sensor?
Vegeu la figura 6.

Compareu la vostra predicció amb els resultats obtinguts.
La resposta dependrà de l'encert en la predicció dels alumnes.

Descriviu el que observeu en la gràfica.
Mentre l'imant cau, el sensor de força marca més. La lectura no canvia quan es deixa caure una massa igual però no magnètica per dins el tub.
Si es pesa l'imant, el pes és el valor de l'increment de la força durant la caiguda.

Podeu donar una explicació detallada del que succeeix?
La caiguda de l'imant per dins el tub genera corrents elèctrics en el metall del tub. Aquests corrents creen un camp magnètic oposat al de l'imant (llei de Faraday-Lenz). La força magnètica que actua sobre l'imant el frena en la caiguda lliure. La força de reacció a aquesta força sobre l'imant actua sobre el tub. Per tant, el sensor de força marcarà el pes del tub més aquesta força de reacció.
El fet que l'increment del que marca el sensor sigui igual al pes de l'imant indica que aquest cau per dins el tub a una velocitat constant.

En la figura 3 feu un diagrama clar amb totes les forces que intervenen en el procés: pes de l'imant, pes del tub, forces magnètiques i totes les seves reaccions.
P_I :pes de l'imant
P_T : pes del tub
F_B : força magnètica sobre l'imant
P'_I : reacció del pes de l'imant (aplicada sobre el centre de la Terra)
P'_I : reacció del pes del tub (aplicada sobre el centre de la Terra)
F'_B: reacció a la força magnètica (aplicada sobre el tub)

En iniciar l'experiència, heu mesurat els pesos de l'imant i del tub. Ara comproveu el que ha de marcar el sensor mentre l'imant cau a una velocitat constant.
Com que l'imant es mou amb velocitat constant, la força magnètica i el pes de l'imant són iguals (F_B = P_I). El valor de la reacció de la força magnètica aplicada sobre el tub és igual al de la força magnètica sobre l'imant (F'_B = F_B ). Així doncs, sobre el tub actua una força total F = P_T+F'_B , que és la que ha d'equilibrar el sensor de força.
En la gràfica d'exemple podem observar que l'imant hauria de pesar 1,8 N – 1,55 N = 0,25 N.

Mentre l'imant cau, els corrents induïts (de dalt i de baix) actuen com si es tractessin d'imants. Els podeu dibuixar, a la figura 5, amb la seva polaritat correcta? Raoneu-ho..
Els dos imants tenen polaritat oposada. Els dos imants induïts s'oposen a la caiguda de l'imant real. La polaritat dels imants s'explica a partir del corrent induït a les espires (exercici anterior). .

Si feu un balanç energètic de l'imant, comprovareu que sembla que l'energia no es conservi atès que l'imant cau a una velocitat constant: inicialment té una energia potencial gravitatòria i energia cinètica, i finalment disminueix l'energia potencial gravitatòria però manté l'energia cinètica. En què s'ha transformat l'energia que s'ha perdut en la caiguda de l'imant?
Aquesta energia "perduda" s'ha transformat primerament en energia elèctrica dels corrents induïts i posteriorment es transforma en energia calorífica (efecte Joule), és a dir que el tub finalment s'hauria d'escalfar lleugerament. Però l'efecte és molt petit i, a més, el tub metàl·lic és un bon conductor tèrmic, de manera que aquesta calor generada passa ràpidament a l'atmosfera.

ISSN: 1988-7930    Adreça a la xarxa: www.RRFisica.cat    Adreça electrònica: redaccio@rrfisica.cat  difusio@rrfisica.cat
Comitè de redacció : Josep Ametlla, Octavi Casellas, Xavier Jaén, Gemma Montanyà, Cristina Periago, Octavi Plana, Jaume Pont i Ramon Sala.
Treballem conjuntament : Societat Catalana de Física, Associació de Professores i Professors de Física i Química de Catalunya,XTEC, Universitat Politècnica de Catalunya, Universitat de Barcelona

Recursos de Física col·labora amb la baldufa i també amb ciències Revista del Professorat de Ciències de Primària i Secundària (Edita: CRECIM-UAB)