Weird Science

Silnik cieplno-magnetyczny

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w mie­sięcz­niku Młody Tech­nik (1/2015):

Ilustracja

Ples M., Sil­nik cieplno-magne­tyczny, Młody Tech­nik, 1 (2015), Wydaw­nic­two AVT, str. 74-75.

Tem­pe­ra­tura Curie

Nazwi­sko z nagłówka jest nam wszyst­kim zna­jome. W tym przy­padku nie cho­dzi jed­nak o Marię, lecz jej męża - Pio­tra Curie (Ryc.1).

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/9/9f/Curie-pierre.jpg

Piotr Curie żył w latach 1859-1906. Był wybit­nym fizy­kiem: odkrył (wraz ze bra­tem Jacques'em) 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. Tem­pe­ra­tura ta jest wła­ściwa dla danej sub­stan­cji i została ona nazwana tem­pe­ra­turą (punk­tem) Curie.

Ist­nie­nie tem­pe­ra­tury Curie pozwala na zbu­do­wa­nie pro­stego sil­nika cieplno-magne­tycz­nego.

By zro­zu­mieć zasadę jego dzia­ła­nia musimy także pamiętać, że pod względem wła­ści­wo­ści magne­tycz­nych sub­stan­cje możemy podzie­lić na:

Sub­stan­cje będące fer­ro­ma­gne­ty­kami powy­żej tem­pe­ra­tury Curie tracą swoje wła­ści­wo­ści i stają się para­ma­gne­ty­kami.

Wyko­na­nie sil­nika

Potrze­bu­jemy:

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, tak by jej pło­mień ogrze­wał przy­ciągnięty do magnesu odła­mek mate­riału fer­ro­ma­gne­tycz­nego. Przy­go­to­wany układ doświad­czalny pre­zen­tuje sche­mat przed­sta­wiony na Ryc.2.

Ilustracja

Począt­kowo odła­mek fer­rytu jest przy­ciągnięty w kie­runku magnesu, co powo­duje wychy­le­nie się całego waha­dła. Po pew­nym cza­sie, potrzeb­nym do odpo­wied­niego roz­grza­nia się tego mate­riału, zaczy­nają być widoczne drga­nia: waha­dło okre­sowo pow­raca do naj­niższego poło­że­nia, by potem znowu się wychy­lić w kie­runku magnesu. Regu­lu­jąc inten­syw­ność ogrze­wa­nia (odle­głość od pło­mie­nia), dłu­gość waha­dła i odle­głość od magnesu można w sze­ro­kim zakre­sie zmie­niać często­tli­wość drgań waha­dła.

Pomyślmy, jak wyja­śnić takie zacho­wa­nie się waha­dła? Fer­ryt ma wła­ści­wo­ści fer­ro­ma­gne­tyczne i jest przy­ciągany przez magnes. Jed­no­cze­śnie mate­riał ten ma dosyć niską tem­pe­ra­turę Curie: około 200 do 300 stopni Cel­sju­sza. Po chwili zostaje więc nagrzany do tej tem­pe­ra­tury. W tym momen­cie fer­ryt sta­nie 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 zacz­nie spa­dać. Poni­żej tem­pe­ra­tury Curie fer­ryt znowu zacz­nie prze­ja­wiać wła­ści­wo­ści fer­ro­ma­gne­tyczne - waha­dło wychyli się ponow­nie i cykl zosta­nie 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.

Lite­ra­tura:

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Pracę sil­nika można zoba­czyć na poniższym fil­mie:

Marek Ples

Aa