Silnik cieplno-magnetyczny
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w miesięczniku Młody Technik (1/2015):
Temperatura Curie
Nazwisko z nagłówka jest nam wszystkim znajome. W tym przypadku nie chodzi jednak o Marię, lecz jej męża - Piotra Curie (Ryc.1).
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:
- Ferromagnetyki - przyciągane przez magnes, przenikalność magnetyczna μ dużo większa od jedności,
- Paramagnetyki - słabo przyciągane przez magnes, przenikalność magnetyczna μ nieco większa od jedności,
- Diamagnetyki - słabo odpychane przez magnes, przenikalność magnetyczna μ mniejsza od jedności.
Substancje będące ferromagnetykami powyżej temperatury Curie tracą swoje właściwości i stają się paramagnetykami.
Wykonanie silnika
Potrzebujemy:
- magnesu stałego,
- niewielkiego odłamka ferrytu (może być odłamek magnesu ferrytowego),
- drutu miedzianego lub stalowego o średnicy 0,4-1mm,
- świeczki lub 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, tak by jej płomień ogrzewał przyciągnięty do magnesu odłamek materiału ferromagnetycznego. Przygotowany układ doświadczalny prezentuje schemat przedstawiony na Ryc.2.
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:
- Encyklopedia Techniki – Elektronika, Praca zbiorowa, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1983, ISBN 83-204-0198-4„
- Podręczny słownik chemiczny, Hassa R., Mrzigod J., Nowakowski J. (redaktorzy), Wyd. I. Katowice: Videograf II, 2004, s. 79, ISBN 8371832400„
- Physics of ferromagnetism (English edition prepared with the assistance of C.D. Graham, Jr), Oxford University Press, 2009, p. 118, ISBN 9780199564811.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Uzupełnienie autora
Pracę silnika można zobaczyć na poniższym filmie:
Marek Ples