Sbírka fyzikálních pokusů

Curieho motory, konstrukce I-III

Pokus číslo: 2181

• Cíl pokusu

  Budeme sestrojovat kmitavé motory fungující na principu fázového přechodu látky při zahřívání nad Curieho teplotu.

• Teorie

  Curieho bod je teplota, při níž se feromagnetická látka mění na paramagnetickou – jinými slovy, téměř se přestává přitahovat k magnetům. Této vlastnosti lze využít pro konstrukci Curieho motoru.

  Motory, které v tomto experimentu zkonstruujeme, budou mít podobu kyvadel z feromagnetického materiálu, který zahříváme v blízkosti permanentního magnetu. Třetí konstrukce bude mít podobu netradičního kyvadla ve tvaru vidličky. Když jeden hrot vidličky vložíme do plamene, stane se po zahřátí paramagnetickou látkou a nebude již přitahován blízkým magnetem, ke kterému se proto přitáhne druhý hrot. Pootočením vidličky se ale první hrot dostane mimo plamen a druhý naopak do plamene – první hrot se tedy ochladí a začne se znovu k magnetu přitahovat, zatímco druhý hrot se stane paramagnetikem. Vidlička se vrátí do původní pozice a děj se bude periodicky opakovat, čímž získáme jakési „horizontální kyvadlo“.

  V případě běžných kyvadel je princip podobný, avšak je potřeba umístit konstrukci a magnet tak, aby v případě feromagnetické fáze byla konstrukce mimo obvyklou stabilní polohu kyvadla. Po zahřátí nad Curieho teplotu se látka přestane přitahovat a kyvadlo se vychýlí do běžné stabilní polohy svisle dolů. V nové poloze je mimo dosah plamene, čímž se ochladí a dojde k přechodu na feromagnetickou fázi a děj se bude opakovat.

  Další konstrukce Curieho motorů lze vidět v experimentu Curieho motory, konstrukce IV-V.

• Pomůcky

  • konstrukce motoru viz níže
  • stojan
  • permanentní magnet (využíváme neodymový)
  • hořák a zápalky

• Postup konstrukce I

  1. Na stojan zavěsíme měděný drátek (my použili průměr 1 mm), na jehož konci je niklový drát (my použili průměr 2 mm).

  2. Do blízkosti niklového drátu umístíme magnet.

  3. K niklovému drátu umístíme hořák a zapálíme ho.

  

• Postup konstrukce II

  1. Na kovovou tyčku umístíme měděný drát (my použili průměr 0,1 mm), na jehož konci je niklový drát (my použili průměr 2 mm).
  2. Do blízkosti niklového drátu umístíme magnet.
  3. Pod niklový drát umístíme čajovou svíčku a zapálíme ji.

  

• Postup konstrukce III

  Pomůcky

  • korkový špunt
  • drátek z feromagnetické látky (využíváme ocel)
  • dřevěné prkno
  • hřebík
  • nářadí

  Postup výroby vidličkového kyvadla

  1. Do dřevěného prkna provrtáme díru a vložíme do ní hřebík (obr. 3A).

  2. Do korkového špuntu provrtáme z boku díru a vložíme do ní drát vytvarovaný do podoby vidličky (obr. 3B a 3C).

  3. Do korkového špuntu vyvrtáme zespoda díru o něco větší než je průměr hřebíku a špunt nasadíme na hrot hřebíku (obr. 3D a 3E).

  

  Postup provedení experimentu

  1. Sestrojíme konstrukci podle obr. 4. Kovová deska má funkci odvodu tepla od magnetu, aby nedošlo k jeho odmagnetování.

  2. Umístíme vidličkovou konstrukci kyvadla do blízkosti šroubu, který je umístěn na magnetu.

  3. Pod vychýlený hrot vidličky umístíme hořák a zapálíme ho.

  

• Vzorový výsledek

  Video níže zachycuje vzorový výsledek pro konstrukci I Curieho motoru.

  Video níže zachycuje vzorový výsledek pro konstrukci II Curieho motoru.

  Video níže zachycuje vzorový výsledek pro konstrukci III Curieho motoru.

• Technické poznámky

  • U závěsu, který je dlouhý, doporučujeme použít měděný drát o průměru 1 mm, neboť závěs je hodně vystaven plameni a může se přepálit. U kratšího závěsu je úhel k plameni větší a riziko přepálení se snižuje.

  • Pro úspěch experimentu je zásadní vzdálenost hrotů vidličky. Pokud budou hroty příliš daleko od sebe, budou se méně přitahovat k magnetu. Pokud budou naopak příliš blízko, můžete prohřát oba hroty zároveň a efekt nebude viditelný. Ve vzorovém experimentu s plynovým hořákem byla vzdálenost hrotů cca 3 cm.

  • Doporučujeme použít silný neodymový magnet, neboť takto sestrojené kyvadlo má v korkovém ložisku nezanedbatelné tření (lze jej snížit například naolejováním hrotu hřebíku).

  • Neodymové magnety mají doporučenou pracovní teplotu 80 °C a je nutné zajistit, aby se magnet nezahřál na teplotu vyšší. Pro odvod tepla jsme proto použili kovovou desku, ke které je magnet přichycen. Dále jsme k magnetu připevnili feromagnetický šroub – ten se zmagnetuje a poslouží jako magnet, který snese vysoké teploty.

  • Snáze než ocel zahřejeme na Curieho teplotu nikl (tato teplota je pro něj výrazně nižší než pro ocel), ovšem jde o méně běžný materiál – prodává se např. v obchodech s elektronickými cigaretami.

• Metodické poznámky

  • Před provedením experimentu je zásadní si vyzkoušet uspořádání aparatury, zejména najít optimální vzájemnou polohu magnetu, hořáku a kyvadla, případně vidličky.

  • Pokud je umístění kyvadla na špičce hřebíku nestabilní a hrozí pád vidličky, chraňte se před rizikem popálení pracovními rukavicemi.