От точки Кюри до термомагнитного двигателя

Ферромагнетики, несомненно, являются наиболее известной группой магнитных материалов. Причинами этого являются их сильное взаимодействие с магнитным полем и многочисленные применения в конструкции различных типов машин и устройств. Эти материалы показывают еще одну интересную и менее известную особенность. Он заключается в зависимости силы их взаимодействия с магнитным полем от температуры. Мы уделим некоторое внимание этому свойству, проведя несколько простых экспериментов.

Рис. 1. Графики зависимости относительной магнитной проницаемости µr (а) и намагниченности ферромагнетика М (б) от температуры в шкале Кельвина Т; Tc — температура Кюри, при которой происходит переход от ферромагнетика к парамагнетику, A, B — области существования соответственно ферромагнетика и парамагнетика.

Сильное взаимодействие ферромагнетиков с магнитным полем обусловлено особой внутренней структурой этих материалов, проявляющейся наличием областей спонтанной намагниченности. Эти области называются домены и их можно даже наблюдать под оптическим микроскопом. Для этого на тщательно отполированную ферромагнитную поверхность наносится взвесь очень мелких частиц магнетита в масле. При этом наблюдается, что эти частицы скапливаются в основном в местах, где замагниченное поле меняет свое направление. Это границы домена. Образы, наблюдаемые при этом, называются figurami Bittera. Типичные размеры доменов находятся в диапазоне от десятых долей миллиметра до десятков нанометров. Причиной образования доменов являются взаимодействия между атомами ферромагнетика, известные как обменные. Он занимается количественным описанием этих взаимодействий. Эти взаимодействия способствуют упорядочению магнитных моментов атомов внутри доменов.

Каждый домен можно представить как крошечный магнит, взаимодействующий с окружающими доменами и с внешним магнитным полем, приложенным к ферромагнетику. Этому порядку противодействуют хаотические тепловые колебания атомов, энергия которых увеличивается с ростом температуры. При достаточно высокой температуре энергия хаотических тепловых колебаний становится настолько большой, что приводит к исчезновению доменной структуры. Тогда ферромагнетик теряет свои характерные свойства и становится парамагнетиком, гораздо меньше взаимодействующим с магнитным полем. Температура, при которой происходит это превращение, называется температура Кюри. Его название названо в память об одном из исследователей этого явления, муже Марии Кюри-Склодовской — Петре Кюри. Зависимости основных параметров ферромагнетика — магнитной проницаемости, характеризующих силу его взаимодействия с магнитным полем и намагниченность — от температуры представлены в рыс. 1.

Температурный маятник Кюри обнаружит

Рис. 2. Экспериментальная установка для определения температуры Кюри намагниченного кольца: 1 — тонкая медная проволока, 2 — небольшой кольцевой магнит, 3 — стальной сердечник, 4 — неферромагнитная подставка, 5 — мармит или

свеча.

Чтобы найти, что постоянный магнит теряет свою намагниченность при достаточно высокой температуре, воспользуемся экспериментальной установкой, представленной на рис. rys. 2. На тонкой медной проволоке диаметром 0,2-0,3 мм и длиной около 30 см подвесить небольшой кольцеобразный магнит с внешним диаметром около 6-8 мм. Это может быть ферритовый магнит старого типа, черного цвета, или неодимовый магнит нового поколения, серебристого цвета, покрытый защитным никелевым слоем. Такие магниты можно приобрести в магазинах электроники за несколько десятков центов. Поместите стальной сердечник рядом с этим магнитом. Это может быть небольшой шуруп, прикрепленный к неферромагнитному основанию, которым будет деревянный брусок. Как легко предсказать, магнит будет притягиваться к сердечнику, а проволока отклоняться от вертикали. Поместите горящий мармит или свечу под магнит. Через некоторое время нагрева вы заметите, что магнит «отвалится» от сердечника, а проволока примет вертикальное положение.

Причиной наблюдаемого эффекта является размагничивание магнита, вызванное достижением им температуры выше температуры Кюри. После остывания магнит уже не восстановит свои свойства и не будет снова притягиваться к сердечнику.

К более высоким температурам

В домашних условиях мы не сможем легко достичь слишком высоких температур. Поэтому для успеха дальнейших экспериментов важно знать значения температуры Кюри различных материалов. Для железа температура равна 1042 К, т. е. 769°С, для кобальта 1400 К (1127°С), а для никеля 631 К (358°С). Спеченные магнитные материалы из прессованных и нагретых до высокой температуры металлических порошков имеют температуру Кюри 300-400°С. Поскольку получение куска никеля могло быть затруднено, первым экспериментом был выбор ферритового или неодимового магнита, которые изготавливаются методом спекания.

Маятниковый термомагнитный двигатель

Рис. 3. Экспериментальная установка для определения температуры Кюри небольшого гвоздя или булавки: 1 — тонкая медная проволока, 2 — маленький гвоздь или чертежная булавка, 3 — цилиндрический постоянный магнит, 4 — неферромагнитный штатив, 5 — небольшая газовая горелка или подогреватель пищи.

Во втором эксперименте мы будем использовать аналогичную экспериментальную установку, как и в первом (рыс. 3). Отличие будет в том, что кольцевидный магнит мы заменяем небольшим стальным гвоздем длиной около 1,5 см, а вместо стального сердечника используем цилиндрический магнит длиной 2-3 см и диаметром около 1 см. Будьте осторожны при использовании больших неодимовых магнитов. Эти магниты очень мощные и могут болезненно защемить кожу пальцев. Способ выполнения эксперимента также аналогичен предыдущему, но для нагревания гвоздя мы будем использовать небольшую газовую горелку. При нагреве старайтесь максимально направлять пламя на гвоздь, а не на магнит и медную проволоку.

Мы находим, что при достижении достаточно высокой температуры гвоздь также отрывается от магнита и проволока принимает вертикальное положение. После некоторого введения гвоздь вне пламени горелки остынет ниже температуры Кюри. В свою очередь, магнит все равно будет намагничен и снова притянет гвоздь. Такая ситуация может повторяться много раз. Вот так мы построили термомагнитный двигатель, который преобразует тепловую энергию, подаваемую горелкой, в кинетическую энергию качательного движения. Такой двигатель не всегда удобен для практического использования, но загадочность его работы впечатляет. Для этого эксперимента лучше подходит магнит более старого типа, изготовленный из сплава кобальта, алюминия и никеля (называемый магнитом альнико), который имеет более высокую температуру Кюри, чем спеченные магниты, и более устойчив к размагничиванию.

Термомагнитный маятник с электрическим подогревом

Чтобы нагреть ферромагнетик выше температуры Кюри, мы будем использовать электрический ток. Представлена ​​экспериментальная система, служащая для этой цели. rys. 4a. Нагретый ферромагнетик здесь имеет форму открытой прямоугольной рамки, согнутой из проволоки сопротивления диаметром около 0,3 мм. Такой провод можно получить после выпрямления куска сгоревшего нагревательного змеевика, например, от старой электроплиты. Холодная проволока должна обладать ферромагнитными свойствами, что мы и проверяем, приближая к ней магнит. Подходящие свойства включают хромоникелин — сплав никеля и хрома, часто с добавлением железа. Стороны рамы должны быть длиной 15-25 см. Загибаем мелкие сеточки на концах проволоки. Каркас подвешивается на два металлических крючка, желательно из латуни, ввинченных в горизонтально установленную планку.

Вдоль нижней стороны рамки размещаем прямоугольный постоянный магнит размером несколько сантиметров, помещенный на горизонтальную пластину из неферромагнитного материала. Направление намагничивания магнита должно быть параллельно нижней стороне рамки. Это минимизирует электродинамическую силу, действующую на безель. Безель должен быть наклонен от вертикали, а его нижняя часть должна быть обращена в сторону магнита. Прикрепите тросы к крюкам, подключенным к источнику питания с постоянным напряжением порядка десятка вольт, с возможностью его регулировки. Здесь можно использовать зарядное устройство для зарядки аккумуляторов.

Рис. 4. Экспериментальная установка с нагретой электрическим током рамкой для определения температуры Кюри (а) и способ установления контакта для получения колебаний рамки (б):

1 — каркас из проволоки сопротивления, 2 — металлические крючки, 3 — полоса, 4 — постоянный магнит прямоугольной формы, 5 — неферромагнитная пластина, 6 — кабель подключения источника питания, 7 — контакт латунного провода.

После включения питания ток, протекающий через рамку, заставляет ее нагреваться выше температуры Кюри, после чего рама возвращается в вертикальное положение. Когда мы отключим электричество и рамка остынет, она снова притянется к магниту. Если мы изменим способ подачи тока на рамку в соответствии с рис.4б, рама будет качаться без отключения источника питания. Изменение заключается в закреплении контакта в полоске, сделанной из куска латунной проволоки, согнутой под прямым углом. Контакт расположен в нижней части полосы, рядом с одним из крючков. К этому контакту присоединен один из проводов, подключенных к источнику питания. При необходимости контакт следует немного отогнуть от вертикали так, чтобы вертикальная сторона рамки касалась его в отклоненном магнитом положении. В этом случае после превышения температуры Кюри рамка, вернувшись в вертикальное положение, отойдет от контакта и прервет подачу питания. Это позволит ему охладиться ниже температуры Кюри. Затем он снова притянется к магниту. Затем описанное поведение кадра повторится.

Термомагнитный двигатель с вращающимся диском

Конструкция этого двигателя показывает рыс. 5. К циферблату диаметром 6-8 см крепятся 6-12 маленьких ферритовых колец, наружным диаметром 6-8 мм. Для этой цели можно использовать небольшие спеченные магниты после их размагничивания путем нагрева выше температуры Кюри, аналогично первому эксперименту. Кольца закрепляют болтами и гайками через равные промежутки у края диска, на расстоянии 6-8 мм от его поверхности. Диск, болты и гайки должны быть изготовлены из неферромагнитного материала, стойкого к воздействию высоких температур не ниже 400°С. Также хорошо, если материал мишени является плохим проводником тепла. Это облегчит нагрев только магнитов и ускорит превышение температуры Кюри и увеличит скорость вращения диска. Лучше всего сделать диск из тонкой керамической или слюдяной пластины, но с первым трудно работать, а второе встречается редко. Поэтому мы сделаем диск из тонкого латунного листа, толщиной около 0,5 мм, и прикрепим к нему магниты с помощью винтов и гаек из того же материала.

Рис. 5. Конструкция термомагнитного двигателя: а) вид спереди, б) вид сбоку;

1 — неферромагнитный диск, стойкий к высокой температуре, 2 — маленькие ферритовые кольца, 3 — латунные винты, 4 — ось диска, 5 — латунный зажим, 6 — неферромагнитная скоба, 7 — цилиндрический постоянный магнит, 8 — подставка из неферромагнитного магнита, 9 — мармит или небольшая горелка.

Диск неподвижно закреплен на тонкой оси с заостренными концами, входящими в конические отверстия на концах латунного U-образного зажима, закрепленного горизонтально на неферромагнитной скобе. Просверленные отверстия представляют собой подшипники, в которых заостренные концы оси могут вращаться с очень небольшим трением. Сбоку от мишени помещаем цилиндрический магнит на неферромагнитное основание, аналогично второму опыту.

Показан несколько иной вариант термомагнитного двигателя с П-образным магнитом. Поместите подогреватель пищи или небольшую горелку под самое нижнее ферритовое кольцо. Когда это кольцо нагревается выше температуры Кюри, оно перестает притягиваться к магниту, а соседние кольца продолжают притягиваться. Это вызовет асимметрию в системе сил, действующих на диск, и неуравновешенную силу, касательную к его периметру, заставляющую диск поворачиваться на угол, при котором одно из соседних ферритовых колец обращено к цилиндрическому магниту. Теперь это кольцо будет нагреваться, и при превышении температуры Кюри описанная ситуация повторяется, позволяя циферблату повернуться на другой угол. Таким образом, скачкообразное вращение диска продолжится.

Экзотические материалы и приложения

Есть металлы, руды которых присутствуют на Земле в очень малых количествах, так называемые Редкоземельные металлы с очень низкой температурой Кюри. Эти металлы включают гадолин i диспроз. Первая имеет температуру Кюри 19°С, а вторая -186°С. Это означает, что достаточно слегка нагреть или охладить гадолиний, чтобы превратить его из ферромагнетика в парамагнетик или наоборот. В свою очередь, диспрозий даже в самую холодную зиму будет парамагнетиком и для превращения в ферромагнетик его придется поместить в жидкий азот (температура -189°С). Если бы в описываемых экспериментах ферритовые, хромоникелевые или стальные элементы были заменены на гадолиниевые, то достаточно было бы их слегка нагреть — например, поднеся лампочку или солнечный свет для наблюдения за движением маятников и моторов.

Зависимость намагниченности от температуры и переход между ферро- и парамагнетиками нашли многочисленные применения, в т.ч. в датчиках и преобразователях различных физических величин. Из-за очень простой конструкции термомагнитные двигатели с ротором из гадолиния иногда применяют для привода некоторых механизмов. Были также получены взвеси частиц гадолиния нанометровых размеров в жидкостях, которые при помещении в магнитное поле приводятся в движение небольшим изменением температуры. Такой термомагнитный насос, без дополнительных механических элементов оказывается полезным в очень простых и надежных системах охлаждения, в т.ч. электронные компоненты