Czym jest paramagnetyzm ? jest to zjawisko w wyniku którego materia, nie wykazująca dotąd właściwości magnetycznych w silnym polu magnetycznym ulega namagnesowaniu i oddziałuje z tym polem.

By pokazać zjawisko paramagnetyzmu posłużę się bardzo ciekawą substancją wykazującą takie właściwości - ciekłym tlenem. Zjawisko magnesowania się ciekłego tlenu już pokazywałem w moim Portalu, ale nie zaszkodzi pokazać je znów prezentując je w postaci inaczej przeprowadzonego eksperymentu. Tlen jest niezwykłą substancją, i nie piszę tego z uwagi na fakt, że jest gazem zapewniającym życie na naszej Planecie ale także dlatego, że ma zupełnie niezwykłą budowę. Cząsteczka tlenu posiada dwa niesparowane elektrony, jest tzw. dwurodnikiem dzięki czemu ma wyjątkowe własności chemiczne ale także i fizyczne co w tej chwili będzie punktem naszych zainteresowań. Dla porównania azot nie ma niesparowanych elektronów i jest prawie całkowicie bierny chemicznie i nie wykazuje zbytnio ciekawych własności fizycznych.

Każda cząsteczka posiadająca ładunek elektryczny i spin większy od zera generuje wokół siebie słabe pole magnetyczne (moment magnetyczny). Cząsteczka tlenu z uwagi na swoje dwa niesparowane elektrony posiada spin równy 2 a co za tym idzie większy moment magnetyczny. Gdy znajdzie się w zewnętrznym silnym polu magnetycznym dochodzi do uporządkowania wszystkich spinów zgodnie z liniami działającego pola magnetycznego. W takiej sytuacji cząstki zaczną oddziaływać z polem jako całość i dojdzie do ich przyciągania przez zewnętrzne pole magnetyczne. W taki właśnie sposób obojętny dotąd tlen zachowuje się jak magnes. Dosyć już jednak teorii, zobaczmy zjawisko w rzeczywistości.

Rys. 1 Zestaw do skraplania tlenu i demonstracji jego paramagnetycznych właściwości.

Do przeprowadzenia tego ciekawego eksperymentu zainspirował mnie artykuł Pana Tomasza Plucińskiego, w którym zacytował wypowiedź Pewnego znanego chemika, który podczas wykładu, wskazując na drgające w polu magnetycznym kropelki ciekłego tlenu, zawołał "to właśnie jest paramagnetyzm! A nie rysowanie kredą po tablicy jakichś strzałek i kresek!". Postanowiłem więc i ja umieścić kilka kropelek ciekłego tlenu w silnym polu magnetycznym i zobaczyć co się stanie. Na początek potrzebowałem źródła ciekłego tlenu, wykonałem więc ostrosłup bez dna z cienkiej blachy kwasoodpornej i umieściłem w statywie wierzchołkiem do dołu.

Rys. 2 Przelewanie ciekłego azotu z Naczynia Dewara do mniejszego poręcznego termosu.

Teraz jeśli do takiego naczynia wlejemy ciekły azot to zgodnie z tym co napisałem we wcześniejszym artykule poświęconym eksperymentom z tlenem w stanie ciekłym, na powierzchni zacznie skraplać się czysty tlen i płynąć strumyczkiem z wierzchołka.


Rys. 3 Przemarzanie naczynia wypełnionego ciekłym azotem.

Prawdziwy eksperymentator przy okazji każdego eksperymentu jest w stanie dostrzec jeszcze kilka innych zjawisk. Na powyższym zdjęciu pokazałem moment rozpoczęcia przemarzania naczynia dopiero po chwili od wlania do środka ciekłego azotu. Sytuacja po wlaniu bardzo zimnej cieczy do naczynia posiadającego temperaturę załóżmy 25 stopni wygląda w ten sposób, że Zjawisko Leidenfrosta czyli oddzielenie cieczy od powierzchni przez poduszkę gazową powstałą z odparowania, nie dopuszcza od razu do zetknięcia się cieczy ze ściankami. Azot co prawda "mocno bulgocze" wewnątrz, ale nie dotyka ścianek dopiero po chwili, gdy ścianki schłodzą się już od zimnych par azotu w którymś miejscu ciśnienie poduszki spada na tyle, że ciecz wreszcie dotyka ścianek i w tym momencie słychać gwałtowne intensywne wrzenie, jakby mocny syk a na powierzchni ten fragment szybko ulega zwilżeniu skroplonym tlenem. Podczas gdy na pozostałej powierzchni widać jedynie szron zestalonej pary wodnej.

Rys. 4 Widok nabiegunników wyłączonego elektromagnesu pomiędzy którymi spadają kropelki ciekłego tlenu.

Do uwięzienia ciekłego tlenu w polu magnetycznym wykorzystałem szkolny model transformatora ze stożkowymi nabiegunnikami. W transformatorze zastosowałem pojedynczą zwojnicę którą zasiliłem z autotransformatora poprzez mostek prostowniczy. Dzięki temu pomiędzy nabiegunnikami wytworzy się silne stałe pole magnetyczne.

Rys. 5 Wyłączony elektromagnes - kropelki spadają na blat stołu.

Ilością ciekłego azotu w pojemniku możemy regulować natężenie spadających kropelek, lub wręcz strumienia cieczy. Takie naczynie najlepiej jest wykonać z metalu o bardzo dobrym przewodnictwie cieplnym jak aluminium czy miedź, wtedy można uzyskać naprawdę duży strumień płynącego ciekłego tlenu.

Rys. 6 Włączenie elektromagnesu, kropelki zostają przyciągnięte do nabiegunnika.

Po włączeniu elektromagnesu kropelki już nie spadają na blat stołu tylko zostają przyciągnięte do jednego z nabiegunników i wyparowują szybko na jego ciepłej powierzchni. Co prawda musiałem trochę zbliżyć wierzchołek naczynia bo z większej wysokości magnes nie był w stanie ich przechwycić. Pole magnetyczne niestety było zbyt słabe. Jednak efekt magnesowania kropelek ciekłego tlenu został eksperymentalnie potwierdzony.
Rys. 7 Kropelki ciekłego tlenu uwięzione w polu magnetycznym.

Ciekły tlen jest paramagnetyczny i w związku z eksperymentalnym dowodem nie da się tego podważyć :) Ale skoro zostało jeszcze trochę ciekłego azotu to może warto zapalić sobie papierosa. Oczywiście nie w sposób tradycyjny, lepiej spalić go ekologicznie w wysokiej temperaturze jak już jakiś poniewiera się w naszej pracowni, co by nie przyszła ochota wypalić go tradycyjnie po jakimś nieudanym eksperymencie.

Rys. 8 Zbieranie skraplającego się tlenu w małym termosie.


Rys. 9 Skroplony tlen.

Skroplony tlen ma barwę lekko niebieskawą, to również jest wynik nietypowej budowy cząsteczki tlenu posiadającej dwa niesparowane elektrony.





Rys. 10 - 13 Spalanie papierosa nasączonego ciekłym tlenem.

Tak właśnie wygląda ekologiczne spalanie papierosa, co prawda raczej nie polecam trzymać go w ustach ze względu na dwie skrajne temperatury bo ustnik będzie miał - 180 a płomień pewnie ponad 1000 ^oC ale już w popielniczce jak najbardziej :). Po takim kilkusekundowym spaleniu papierosa w pomieszczeniu praktycznie nic nie czuć. W wysokiej temperaturze papieros spalił się doszczętnie do dwutlenku węgla, wody i pewnie śladowych ilości innych gazów które jednak są w delikatny sposób wyczuwalne. Na zdjęciach możemy obserwować palącą się zapałkę, którą przypaliłem papierosa. Jak widać nawet nie zdążyła zgasnąć a cały papieros już zniknął. Najbardziej efektownie spala się jednak filtr papierosa, przypomina to zapłon silnika rakietowego, słychać świst a papieros sypie snopem iskier w jednym kierunku.