Temperatura Curie i silniki termomagnetyczne

Rodzina Curie może nam kojarzyć się z badaniem promieniotwórczości, jednak była to jedna z wielu dziedzin, którą zajmowali się jej członkowie. Pierre Curie, mąż Marii podczas swoich badań nad materiałami magnetycznymi zauważył zjawisko, które pozwala na opracowanie silników łączących zjawiska cieplne i magnetyczne.

Silniki termomagnetyczne w swojej konstrukcji zawiera materiały ferromagnetyczne, to znaczy takie, które są z łatwością przyciągane przez magnesy. Cechą charakterystyczną takich materiałów jest to, że przy określonej wartości temperatury (zwanej temperaturą Curie), tracą takie właściwości.

Zasada działania silnika Curie opiera się na naprzemiennym ogrzewaniu materiału oraz jego chłodzeniu w zakresie temperatury Curie. W normalnych warunkach pracy materiał jest przyciągany do magnesu, z kolei po ogrzaniu traci właściwości magnetyczne. Uwzględnienie takich właściwości, przy jednoczesnym zastosowaniu odpowiedniego ułożenia magnesu i materiału ferromagnetycznego pozwala na wytworzenie ruchu.

Skąd biorą się takie, a nie inne właściwości materiałów ferromagnetycznych w temperaturze Curie? Poniżej temperatury Curie materiały te mają określoną budowę wewnętrzną, która jest odpowiedzialna za powstawanie właściwościami magnetycznych. Wzrost temperatury powoduje zaburzenie tej struktury wewnętrznej materiału, co w temperaturze Curie doprowadza do zniszczenia wewnętrznej budowy materiału, która odpowiada za powstawanie właściwości magnetycznych materiałów. Po zmniejszeniu temperatury dochodzi do odbudowania wewnętrznej struktury materiału, co z kolei powoduje ponowne pojawienie się widocznych oddziaływań magnetycznych.

Wpływ temperatury na właściwości materiałów ferromagnetycznych jest znany od dawna. Pod koniec XIX wieku powstały patenty silników, między innymi Tesli bądź Edisona, które wykorzystywały zjawisko zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną. Jednak ze względu na bardzo małą sprawność nigdy nie znalazły zastosowania na szeroką skalę. Badania przeprowadzone w latach pięćdziesiątych XX wieku wykazały, że sprawność takich urządzeń wynosiła poniżej 1%.

W ostatnich latach wzrosła liczba badań nad zależnościami temperaturowo-magnetycznymi. Między innymi bada się ich zastosowanie w siłownikach termicznych. Rozważa się również zastosowanie tego efektu do zwiększenia efektu chłodzenia ogniw fotowoltaicznych w bezzałogowych statkach powietrznych zasilanych energią słoneczną. Natomiast same oddziaływania cieplno-magnetyczne są również ciekawe do przedstawienia pod względem dydaktycznym.

Źródła:
[1] – Kishore R., A review on design and performance of thermomagnetic devices
[2] – Song H., Kang M., – Thermo-Magneto-Electric generator arrays for active heat recovery system
[3] – grabcad.com (zdjęcie nr 2)
[4] – wikimedia.org (zdjęcie nr 1)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *