Silnik cieplno-magnetyczny
Temperatura Curie
fizykiem. Wraz z bratem Jacques’em odkrył zjawisko
piezoelektryczności, badał substancje krystaliczne, razem
z Marią zdobył nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku
1903. Badał też wpływ temperatury na właściwości
magnetyczne materiałów. Odkrył zjawisko zaniku
właściwości ferromagnetycznych w pewnej temperaturze.
Jest ona właściwa dla danej substancji i została nazwana
temperaturą (punktem) Curie.
Nazwisko z nagłówka jest nam wszystkim znajome. W tym przypadku nie chodzi jednak o Marię, lecz jej męża, Piotra Curie (1). Istnienie temperatury Curie pozwala na zbudowanie prostego silnika cieplno-magnetycznego. By zrozumieć zasadę jego działania, musimy pamiętać, że pod względem właściwości magnetycznych substancje możemy podzielić na:
- ferromagnetyki – są przyciągane przez magnes, ich przenikalność magnetyczna jest dużo większa od jedności (μ>>1);
- paramagnetyki – słabo przyciągane przez magnes, przenikalność magnetyczna nieco większa od jedności (μ>1);
- diamagnetyki – słabo odpychane przez magnes, przenikalność magnetyczna mniejsza od jedności (μ<1).
Substancje będące ferromagnetykami, powyżej temperatury Curie tracą swoje właściwości i stają się paramagnetykami.
Wykonanie silnika
Potrzebujemy:
- drutu miedzianego lub stalowego o średnicy 0,4-1 mm,
- magnesu stałego,
- niewielkiego odłamka ferrytu (może być odłamek magnesu ferrytowego),
- świeczki albo palnika spirytusowego jako źródła ciepła.
Z kawałka drutu wyginamy wahadło, na którego końcu umieszczamy fragment ferrytu. Należy je zawiesić tak, by mogło się swobodnie poruszać. Następnie do ferrytu delikatnie zbliżamy magnes trwały – w pewnym momencie powinien przyciągnąć zawieszony fragment. Spowoduje to wychylenie z położenia równowagi. Pod wahadło należy podłożyć palącą się świeczkę w ten sposób, by jej płomień ogrzewał przyciągnięty do magnesu odłamek materiału ferromagnetycznego. Przygotowany układ doświadczalny prezentuje schemat przedstawiony na ilustracji 2.
Początkowo odłamek ferrytu jest przyciągnięty w kierunku magnesu, co powoduje wychylenie się całego wahadła. Po pewnym czasie, potrzebnym w szerokim zakresie zmieniać częstotliwość drgań wahadła.
Wyjaśnienie
Pomyślmy, jak wyjaśnić takie zachowanie się wahadła? Ferryt ma właściwości ferromagnetyczne i jest przyciągany przez magnes. Jednocześnie materiał ten ma dosyć niską temperaturę Curie: ok. 200 do 300°C. Gdy po chwili zostaje do niej nagrzany, staje się paramagnetykiem i siła, z jaką jest przyciągany przez magnes, zmniejsza się, a wahadło wraca do pionu. W położeniu równowagi nie jest jednak ogrzewane przez płomień świecy i jego temperatura zaczyna spadać. Poniżej temperatury Curie ferryt znowu zaczyna więc przejawiać właściwości ferromagnetyczne – wahadło wychyla się ponownie i cykl zostaje zamknięty.
Dlaczego jednak w pewnej temperaturze zanika ferromagnetyzm? W temperaturze niższej od temperatury Curie dipole magnetyczne atomów lub cząsteczek ustawiane są przez wiązania chemiczne w jednym kierunku, tworząc domeny ferromagnetyczne. W temperaturze powyżej temperatury Curie drgania cieplne sieci krystalicznej niszczą ustawienia dipoli magnetycznych, dipole wykonują drgania.
Dzięki dopływowi energii cieplnej do układu i zmianie właściwości magnetycznych ferrytu uzyskujemy okresowe wahnięcia wahadła. Jest to więc najprawdziwszy silnik, przekształcający energię cieplną w pracę, przy wykorzystaniu oddziaływania magnetycznego.
Życzę miłej i pouczającej zabawy :)
