Od punktu Curie do silnika termomagnetycznego

Od punktu Curie do silnika termomagnetycznego
Ferromagnetyki to niewątpliwie najbardziej znana grupa materiałów magnetycznych. Powodem tego są ich silne oddziaływania z polem magnetycznym oraz liczne zastosowania w budowie różnego rodzaju maszyn i urządzeń. Materiały te wykazują jeszcze jedną, interesującą i mniej znaną cechę. Polega ona na zależności siły ich oddziaływania z polem magnetycznym od temperatury. Tej właściwości poświęcimy nieco uwagi, wykonując kilka prostych doświadczeń.
Rys. 1. Wykresy zależności przenikalności magnetycznej względnej μr (a) i namagnesowania ferromagnetyka M (b) od temperatury w skali Kelvina T;                    Tc - temperatura Curie, w której zachodzi przejście ferromagnetyka w paramagnetyk, A, B - obszary, gdzie istnieją odpowiednio ferro- i paramagnetyk.

Silne oddziaływanie ferromagnetyków z polem magnetycznym jest spowodowane szczególną strukturą wewnętrzną tych materiałów, która przejawia się występowaniem obszarów samoistnego namagnesowania. Obszary te nazywane są domenami i można je zaobserwować nawet pod mikroskopem optycznym. W tym celu starannie wypolerowaną powierzchnię ferromagnetyka pokrywa się zawiesiną bardzo drobnych cząstek magnetytu w oleju. Obserwuje się wówczas, że cząstki te gromadzą się głównie w miejscach, gdzie pole namagnesowane zmienia swój kierunek. Tymi miejscami są właśnie granice domen. Obserwowane wówczas obrazy nazywa się figurami Bittera. Typowe rozmiary domen zawierają się w granicach od dziesiątych części milimetra do kilkudziesięciu nanometrów. Przyczyną wytwarzania domen są oddziaływania między atomami ferromagnetyka, nazywane wymiennymi. Ilościowym opisem tych oddziaływań zajmuje się mechanika kwantowa. Oddziaływania te przyczyniają się do uporządkowania momentów magnetycznych atomów wewnątrz domen.

Każdą domenę można wyobrazić sobie jako maleńki magnes, który oddziałuje z otaczającymi go domenami oraz z zewnętrznym polem magnetycznym, przyłożonym do ferromagnetyka. Uporządkowaniu temu przeciwdziałają chaotyczne drgania cieplne atomów, których energia rośnie wraz ze wzrostem temperatury. W odpowiednio wysokiej temperaturze energia chaotycznych drgań cieplnych staje się tak duża, że powoduje zanik struktury domenowej. Wtedy ferromagnetyk traci swoje charakterystyczne właściwości i staje się paramagnetykiem, znacznie słabiej oddziałującym z polem magnetycznym. Temperatura, w której następuje ta przemiana nazywa się temperaturą Curie. Jej nazwa upamiętnia jednego z badaczy tego zjawiska, którym był mąż Marii Curie-Skłodowskiej - Piotr Curie. Zależności podstawowych parametrów ferromagnetyka - przenikalności magnetycznej, charakteryzującej siłę jego oddziaływania z polem magnetycznym i namagnesowania - od temperatury przedstawia rys. 1.

 

Wahadełko temperaturę Curie wykryje

Rys. 2. Układ doświadczalny do wykrywania temperatury Curie namagnesowanego pierścienia: 1 - cienki drut miedziany, 2 - mały magnes pierścieniowy, 3 - rdzeń stalowy, 4 - nieferromagnetyczna podstawka, 5 - podgrzewacz do potraw lub
świeczka.

Do stwierdzenia, że magnes trwały w odpowiednio wysokiej temperaturze traci swoje namagnesowanie,zastosujemy układ doświadczalny, przedstawiony na rys. 2. Na cienkim drucie miedzianym, o średnicy 0,2-0,3 mm i długości ok. 30 cm, zawieszamy mały magnes w kształcie pierścienia o średnicy zewnętrznej ok. 6-8 mm. Może to być magnes ferrytowy starego typu, koloru czarnego, lub nowej generacji magnes neodymowy, w kolorze srebrzystym, pokryty ochronną warstwą niklu. Takie magnesy są do nabycia w sklepach z artykułami elektronicznymi w cenie kilkudziesięciu groszy. Obok tego magnesu umieszczamy rdzeń stalowy. Może być to niewielka śruba, przymocowana do nieferromagnetycznej podstawki, którą będzie drewniany klocek. Jak łatwo przewidzieć, magnes zostanie przyciągnięty do rdzenia i drut będzie odchylony od pionu. Pod magnesem umieszczamy palący się podgrzewacz do potraw lub świeczkę. Po pewnym czasie ogrzewania zauważymy, że magnes "odpadnie" od rdzenia i drut przyjmie pozycję pionową.

Przyczyną zaobserwowanego efektu jest rozmagnesowanie magnesu, spowodowane osiągnięciem przez niego temperatury wyższej niż temperatura Curie. Po ostygnięciu magnes nie odzyska już swoich właściwości i nie zostanie ponownie przyciągnięty do rdzenia.

 

W stronę wyższych temperatur

W warunkach domowych nie będziemy mogli łatwo osiągnąć zbyt wysokich temperatur. Dlatego dla powodzenia dalszych doświadczeń ważna jest informacja na temat wartości temperatury Curie różnych materiałów. Dla żelaza temperatura ta wynosi 1042 K, czyli 769°C, dla kobaltu 1400 K (1127°C), dla niklu 631 K (358°C). Spiekane materiały magnetyczne, wytworzone ze sprasowanych i ogrzanych do wysokiej temperatury proszków metali, mają temperaturę Curie 300-400°C. Ponieważ uzyskanie kawałka niklu mogłoby sprawiać kłopoty, więc do pierwszego doświadczenia należało wybrać magnes ferrytowy lub neodymowy, które wykonywane są metodą spiekania.

 

Wahadłowy silnik termomagnetyczny

Rys. 3. Układ doświadczalny do wykrywania temperatury Curie małego gwoździa lub pineski: 1 - cienki drut miedziany, 2 - mały gwóźdź lub pineska, 3 - magnes trwały w kształcie walca, 4 - nieferromagnetyczna podstawka, 5 - mały palnik gazowy lub podgrzewacz do potraw.

W drugim doświadczeniu zastosujemy podobny układ doświadczalny, jak w pierwszym (rys. 3). Różnica będzie polegała na tym, że magnes w kształcie pierścienia zastąpimy małym gwoździem stalowym o długości ok. 1,5 cm, a zamiast rdzenia stalowego użyjemy magnesu w kształcie walca o długości 2-3 cm i średnicy ok. 1 cm. Używając większych magnesów neodymowych, należy zachować ostrożność. Magnesy te wykazują dużą siłę oddziaływania i mogą spowodować bolesne przyciśnięcie skóry palców. Sposób wykonania doświadczenia też jest podobny jak poprzednio, ale do ogrzewania gwoździa zastosujemy mały palnik gazowy. Podczas ogrzewania starajmy się kierować płomień w jak największym stopniu na gwóźdź, a nie na magnes i drut miedziany.

Stwierdzimy, że po osiągnięciu odpowiednio wysokiej temperatury gwóźdź również odpadnie od magnesu i drut przyjmie pozycję pionową. Po pewnym umieszcza się gwóźdź, znajdujący się poza płomieniem palnika, ulegnie ochłodzeniu poniżej temperatury Curie. Z kolei magnes będzie nadal namagnesowany i ponownie przyciągnie gwóźdź. Ta sytuacja może powtarzać się wielokrotnie. W ten sposób zbudowaliśmy silnik termomagnetyczny, który przetwarza energię cieplną, dostarczaną przez palnik, na energię kinetyczną ruchu wahadłowego. Taki silnik nie zawsze jest wygodny do zastosowań praktycznych, ale tajemniczy sposób jego działania robi wrażenie. Do tego doświadczenia lepiej nadaje się magnes starszego typu, wykonany ze stopu kobaltu, aluminium i niklu (tzw. magnes alnico), który ma wyższą temperaturę Curie niż magnesy spiekane i jest bardziej odporny na rozmagnesowanie.

 

Wahadełko termomagnetyczne ogrzewane prądem elektrycznym

Żeby ogrzać ferromagnetyk powyżej temperatury Curie, wykorzystamy teraz prąd elektryczny. Służący do tego celu układ doświadczalny przedstawia rys. 4a. Ogrzewany ferromagnetyk ma tutaj kształt otwartej, prostokątnej ramki, wygiętej z drutu oporowego o średnicy ok. 0,3 mm. Taki drut można uzyskać po wyprostowaniu kawałka przepalonej spirali grzejnej, pochodzącej np. ze starej kuchenki elektrycznej. Zimny drut musi mieć właściwości ferromagnetyczne, co sprawdzamy, zbliżając do niego magnes. Odpowiednie właściwości ma m.in. chromonikielina - stop niklu i chromu, często z dodatkiem żelaza. Boki ramki powinny mieć długość 15-25 cm. Na końcach drutu wyginamy małe oczka. Ramkę zawieszamy na dwóch metalowych haczykach, najlepiej mosiężnych, wkręconych w zamocowaną poziomo listewkę.

Wzdłuż dolnego boku ramki układamy prostopadłościenny magnes trwały o rozmiarach kilku centymetrów, umieszczony na poziomej płytce z materiału nieferromagnetycznego. Kierunek namagnesowania magnesu powinien być równoległy do dolnego boku ramki. Pozwoli to zminimalizować siłę elektrodynamiczną, działającą na ramkę. Ramka powinna zostać odchylona od pionu, a jej dolny odcinek przyciągnięty do boku magnesu. Do haczyków mocujemy przewody połączone ze źródłem zasilania o stałym napięciu kilkunastu woltów z możliwością jego regulacji. Można tu użyć prostownika do ładowania akumulatorów.

Rys. 4. Układ doświadczalny z ramką, ogrzewaną prądem elektrycznym, do wykrywania temperatury Curie (a) i sposób wykonania styku do uzyskania wahań ramki (b):
1 - ramka z drutu oporowego, 2 - metalowe haczyki, 3 - listewka, 4 - magnes trwały w kształcie prostopadłościanu, 5 - nieferromagnetyczna płytka, 6 - przewód do przyłączenia źródła prądu, 7 - styk z mosiężnego drutu.

Po włączeniu zasilania, prąd płynący przez ramkę powoduje jej ogrzanie powyżej temperatury Curie i wówczas ramka wraca do pozycji pionowej. Gdy prąd wyłączymy i ramka ostygnie, wtedy znowu zostanie ona przyciągnięta przez magnes. Jeżeli zmienimy sposób doprowadzenia prądu do ramki zgodnie z rys. 4b, ramka będzie się wahała bez wyłączania źródła zasilania. Zmiana polega na zamocowaniu w listewce styku, zrobionego z kawałka drutu mosiężnego, zgiętego pod kątem prostym. Styk umieszczamy od dołu listewki, tuż przy jednym z haczyków. Do tego styku przymocowujemy jeden z przewodów połączonych ze źródłem zasilania. W miarę potrzeby styk należy nieco odgiąć od pionu, tak żeby dotykał do niego pionowy bok ramki w pozycji odchylonej przez magnes. W tym przypadku, po przekroczeniu temperatury Curie, ramka - wracając do pionu - odsunie się od styku i przerwie dopływ prądu. Pozwoli to jej ostygnąć poniżej temperatury Curie. Wtedy znowu zostanie przyciągnięta przez magnes. Następnie opisane zachowanie ramki będzie się powtarzało.

 

Silnik termomagnetyczny z wirującą tarczą

Budowę tego silnika przedstawia rys. 5. Do tarczy o średnicy 6-8 cm przymocowanych jest 6-12 małych pierścieni ferrytowych, o średnicy zewnętrznej 6-8 mm. W tym celu można zastosować małe magnesy spiekane po ich wcześniejszym rozmagnesowaniu przez ogrzanie powyżej temperatury Curie, podobnie jak w pierwszym doświadczeniu. Pierścienie przymocowane są za pomocą śrubek z nakrętkami, w równych odstępach w pobliżu brzegu tarczy, w odległości 6-8 mm od jej powierzchni. Tarcza, śrubki oraz nakrętki muszą być wykonane z materiału nieferromagnetycznego i odpornego na wysoką temperaturę, wynoszącą co najmniej 400°C. Dobrze też, żeby materiał tarczy był złym przewodnikiem ciepła. Ułatwi to ogrzewanie tylko samych magnesów i przyspieszy przekroczenie temperatury Curie oraz zwiększy szybkość obrotu tarczy. Najlepiej byłoby wykonać tarczę z cienkiej płytki ceramicznej lub miki, ale pierwszy z tych materiałów jest trudny w obróbce, a drugi rzadko spotykany. Dlatego tarczę wykonamy z cienkiej blachy mosiężnej o grubości ok. 0,5 mm i przymocujemy do niej magnesy za pomocą śrubek i nakrętek z tego samego materiału.

Rys. 5. Budowa silnika termomagnetycznego: a) widok z przodu, b) widok z boku;
1 - nieferromagnetyczna tarcza, odporna na wysoką temperaturę, 2 - małe pierścienie ferrytowe, 3 - śrubki mosiężne, 4 - oś tarczy, 5 - mosiężna obejma, 6 - nieferromagnetyczny wspornik, 7 - magnes trwały w kształcie walca, 8 - nieferromagnetyczna podstawka magnesu, 9 - podgrzewacz do potraw lub mały palnik.

Tarcza jest osadzona nieruchomo na cienkiej osi z zaostrzonymi końcami, które wchodzą w stożkowe nawiercenia na końcach mosiężnej obejmy w kształcie w litery U, przymocowanej poziomo do nieferromagnetycznego wspornika. Nawiercenia stanowią łożyska, w których zaostrzone końce osi mogą obracać się z bardzo małym tarciem. Z boku tarczy umieszczamy na nieferromagnetycznej podstawce magnes w kształcie walca, podobny jak w drugim doświadczeniu.

Nieco inny przykład wykonania silnika termomagnetycznego z magnesem w kształcie litery U przedstawia. Pod najniżej położonym pierścieniem ferrytowym ustawiamy podgrzewacz do potraw lub mały palnik. Gdy ten pierścień zostanie ogrzany powyżej temperatury Curie, wówczas przestanie być przyciągany przez magnes, natomiast sąsiednie pierścienie będą nadal przyciągane. Spowoduje to asymetrię w układzie sił działających na tarczę i pojawienie się niezrównoważonej siły stycznej do jej obwodu.Wskutek tego tarcza obróci się o taki kąt, przy którym jeden z sąsiednich pierścieni ferrytowych znajdzie się naprzeciw magnesu walcowego. Teraz ten pierścień będzie ogrzewany i gdy przekroczy temperaturę Curie, opisana sytuacja się powtórzy, umożliwiając obrót tarczy o kolejny kąt. Skutkiem tego skokowy obrót tarczy będzie kontynuowany.

 

Egzotyczne materiały i zastosowania

Znane są metale, których rudy występują na Ziemi w bardzo małych ilościach, tzw. metale ziem rzadkich, mające bardzo niską temperaturę Curie. Do tych metali należą gadolin i dysproz. Pierwszy z nich ma temperaturę Curie 19°C a drugi –186°C. Oznacza to, że gadolin wystarczy lekko podgrzać lub oziębić, żeby spowodować jego przemianę z ferromagnetyka w paramagnetyk lub odwrotnie. Z kolei dysproz, nawet podczas najbardziej mroźnej zimy, będzie paramagnetykiem i trzeba by go umieścić w ciekłym azocie (temp. –189°C), żeby stał się ferromagnetykiem. Jeżeli w opisanych doświadczeniach zastąpić elementy ferrytowe, chromonikielinowe lub stalowe elementami z gadolinu, to wystarczyłoby ich lekkie podgrzanie – np. przez zbliżenie żarówki lub promienie słoneczne, żeby zaobserwować ruch wahadeł i silników.

Zależność namagnesowania od temperatury oraz przejście między ferro- i paramagnetykiem znalazło liczne zastosowania, m.in. w czujnikach i przetwornikach różnych wielkości fizycznych. Ze względu na bardzo prostą konstrukcję, silniki termomagnetyczne z wirnikiem wykonanym z gadolinu są czasem stosowane do napędu niektórych mechanizmów. Wytworzono też zawiesiny cząstek gadolinu o rozmiarach nanometrowych w cieczach, które po umieszczeniu w polu magnetycznym są wprawiane w ruch przez niewielką zmianę temperatury. Taka termomagnetyczna pompa, bez dodatkowych elementów mechanicznych, okazuje się przydatna w bardzo prostych i niezawodnych układach chłodzenia, m.in. podzespołów elektronicznych