Grafiet levitatie

Datum: Juli 2010

Principe:

De diamagnetische eigenschappen van grafiet zorgen ervoor dat het kan zweven in een sterk magnetisch veld.

Materiaal:

Middlesex University
Graphite Levitation Kit
Code: 212-050B
  • 16 neodynium magneetjes
  • pyrolytisch grafiet plaatje
  • stalen plaatje

Uitvoering:

 
  • Bouw met de magneetjes een matrix op van 4x4 op het stalen plaatje.
    Als een magneetje afgestoten wordt als men het aan de matrix wil toevoegen draai het dan om en probeer het opnieuw.
  • Positioneer het grafiet voorzichtig op een kant van de matrix. Men kan het grafiet tussen de 4 punten van de matrix laten bewegen.

Resultaten:

Zoals men in nevenstaand filmpje kan zien zweeft het grafiet plaatje boven het oppervlak gevormd door de magneten. 

De zweefhoogte bedraagt ca. 2-3 millimeter. De levitatie is zeer duidelijk te zien, we kunnen het schijfje zelfs met een vinger omlaagdrukken, loslaten en zien hoe het weer opstijgt en blijft zweven.

YouTube link: Grafiet levitatie

Discussie en conclusie:

Dit experiment demonstreert het diamagnetisch gedrag waarbij het grafiet afgestoten wordt door zowel de Noord (N) als de Zuid (Z) pool van de magneten.

Door de magneetpolen te alterneren kan men een sterke magnetische veldgradiënt creëren dat het grafiet plaatje centreert, zoals schematisch weergegeven in onderstaande figuur.


Magneten kunnen op 3 manieren invloed uitoefenen op ander materialen, ze kunnen het materiaal aantrekken, afstoten of er geen effect op hebben. Als men over diamagnetisme praat spreekt men over objecten die slechts een zwakke afstoting ondergaan in een magnetisch veld. In tegenstelling tot magneten spreekt men bij deze materialen niet van magnetische polen, zowel de N als de Z pool van een magneet stoot het materiaal evenveel af. Zoals bovenstaand experiment demonstreerde is grafiet ook diamagnetisch. Het is ca. 10000 x meer diamagnetisch dan water. Het plaatje grafiet is ook erg licht en in combinatie met de zwakke afstoting die het ondervindt in een magnetisch veld kan het daarom boven de magneten zweven.

Elk materiaal is (soms slechts zeer licht) gevoelig voor een extern magnetisch veld. Het maakt dit groter of kleiner. De verhouding van de sterkte van het veld in het materiaal tot dat buiten het materiaal noemt men de relatieve permeabiliteit µ(r). Nauwelijks magnetiseerbare materialen hebben een µ(r) van iets meer dan 1, en diamagneten hebben een µ(r) van iets minder dan 1. Ferromagneten hebben een zeer grote (relatieve) permeabiliteit.

Opmerkingen:

  • Zoekwoorden:
    NL: diamagnetisme, pyrolitisch, grafiet
    E: diamagnetism, levitation, graphite, magnetic
  • Plaats het geheel in een klein doorzichtig doosje om het aanzetten van stof en vuil te vermijden.
    Ik bewaar het doosje natuurlijk op een voor al mijn vrienden goed zichtbare plek,
    als eigenaardig en zeer opvallend decoratief object.

Literatuur:

  • Ron Edge; 'A Simple Diamagnetic Levitation Experiment'; The Physics Teacher; 41 February 2003; p. 122.
  • Chris Conery, L.F. Goodrich, T.C. Stauffer; 'More Diamagnetism Demonstrations'; The Physics Teacher; 41 February 2003; p. 74,75.
  • Erlend H Graf; 'Small Inexpensive Diamagnetoc Levitation Apparatus'; The Physics Teacher; 39 December 2001; p. 556-558..
  • Robert D. Waldron; 'Diamagnetic Levitation Using Pyrolytic Graphite'; The Review of Scientific Instruments; 37 1 1966; p. 29-35.
  • M. D. Simon, A.K. Geim; 'Diamagnetic levitation: Flying frogs and floating magnets (invited)'; Journal of Applied Physics; 87 9 2000; p. 6200-6204.
  • M.M.J. Frech; 'The wonders of levitation'; Physics Education; 45 1 2010; p. 37-41.
  • P.A. Dunne, J. Hilton, J.M.D. Coey; 'Levitation in paramagnetic liquids'; Journal of Magnetiscm and Magnetic Materials; 316 2007; p. 273-276.
  • Andrey Geim; 'Everyone's Magnetism'; Physics Today; September 1998; p. 36-39.
  • Peter Atkins, Julio de Paula; "Physical Chemistry"; 2002 (1978); 7th Ed.; Freeman; ISBN 0716736394; p 801-805.
Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Pyrolytisch grafiet is een synthetisch materiaal dat lijkt op grafiet. Het is het ontledingsproduct van koolwaterstoffen die in een vacuümoven tot een hoge temperatuur verhit worden (pyrolyse). Het koolstof dat zo gevormd wordt kristalliseert dan uit in op elkaar gestapelde  lagen. Deze lagen kunnen als het ware langs elkaar schuiven (splijtvlak) analoog aan mica.

Onderstaande afbeelding is Scanning Tunneling Microscoop scan van pyrolytisch grafiet. De sterk gelaagde structuur is duidelijke waarneembaar.


 


15-01-2017