FIZIKA Štefanov termomagnetni motor ob 180-letnici Štefanovega rojstva vU VU NU Janez Strnad in Primož Ziherl Na začetku leta 1888 je Jožef Stefan matematič-no-naravoslovnemu razredu akademije znanosti na Dunaju poročal O termomagnetnih motorjih. Izkoristil je pojav, da snovi, iz katerih so trajni magneti, postanejo nemagnetne, če jih segrejemo do Curiejeve temperature. Magnetne postanejo zopet, ko se ohladijo. Stefan je delal poskuse s pločevino iz niklja s Curiejevo temperaturo okoli 340 C. To temperaturo je dosegel z gorilnikom na špirit. Opisal je dve preprosti napravi, ki ju je bilo mogoče pokazati tudi v šoli. Kako delujeta, je Kemijskemu in fizikalnemu društvu pokazal že leto prej. Iz 0,3 milimetra debele nikljeve pločevine je izre-zal obroč z zunanjim premerom 16 centimetrov in širino 2,7 centimetra. S štirimi naperami iz tankih medeninastih cevi ga je povezal z osjo — podobno kot kolo dvokolesa. Na najnižji točki je obroč segel med pola podkvastega magneta. Gorilnik je bil malo premaknjen iz te točke (slika 1). Njegov plamen je segrel del obroča, ki ga zato magnet ni več privlačil. Magnet pa je še naprej privlačil sosednji, nesegreti del obroča. Ta sila je prevladala in zaradi nje se je segreti del dvignil. Potem se je ohladil in so se mu povrnile prejšnje lastnosti. Plamen je segrel sosednji del, ki se je zaradi tega dvignil. Pojav se je nadaljeval, segreti del se je nenehno dvigal in nikljev obroč se je vrtel. To je bil termomagnetni motor. Pozneje je Stefan s plinskim gorilnikom dosegel, da se je motor vrtel hitreje. Poskus je ponovil tudi s kolesom, sestavljenim iz odsekov železnih žič. Glavno SLIKA 1. Risbi Štefanovega termomagnetnega nihala (levo in v sredini) in termomagnetnega motorja (desno) z nikljevo pločevino. V Štefanovih člankih ni veliko risb. To risbo so narisali pozneje in je posneta po knjigi Lava Cermelja Jožef Stefan, Življenje in delo velikega fizika. pozornost je posvetil termodinamični obravnavi ide-aliziranega termomagnetnega motorja, ki ji ne bomo sledili. Stefan je naredil tudi termomagnetno nihalo. Iz 0,2 milimetra debele nikljeve pločevine je izrezal 16 centimetrov dolg in 1,6 centimetra širok del krožnega izseka in ga pritrdil na eno samo 16 centimetrov dolgo medeninasto cevko. Na začetku se je izsek dvignil, ko gaje plamen segrel. Potem je prevladala teža in se je izsek zopet spustil. Cez cas je zacetno neurejeno gibanje prešlo v nihanje. Stefan je omenil, da so termomagnetne motorje izdelali že pred njim. O enem od njih sta Edwin James Houston in Elihu Thomson porocala leta 1879. Tak -> PRESEK 43 (2015/2016) 3 13 FIZIKA —^ motor je izdelal tudi Thomas Alva Edison leta 1887. Z dvema plinskima gorilnikoma je dosegel moč 17 wattov. Po patentni prijavi je mogoče razbrati, da je Nikola Tesla leta 1886 predlagal več izvedb termo-magnetnega motorja in zanje leta 1889 dobil patent (slika 2). Vsi ti motorji so vsebovali dele iz železa s Curiejevo temperaturo okoli 770 °C in so jih morali poganjati s plinskimi gorilniki. Pozneje so odkrili snovi z veliko nižjo Curiejevo temperaturo. Heinz Siegfried Wolff je leta 1964 opisal motor s ploščicami iz zlitine niklja in železa, ki magnetne lastnosti izgubi postopno do temperature 60 ° C. Za pogon je zadostovala voda s temperaturo 40 °C (slika 3). Pri premeru 30 centimetrov se je pri temperaturi zraka 18 °C obroč zavrtel 20-krat v minuti. Z ga-dolinijem, ki ima Curiejevo temperaturo 21 °C, je mogoče narediti termomagnetni motor, ki deluje pri sobni temperaturi. Na Japonskem so sestavili termomagnetni motor, ki je dosegel moč 100 wattov in se zavrtel 30 do 90-krat v minuti. Za izkoristek so izmerili 0,02 %. Anton Karle je leta 2001 podrobno pregledal možnosti termomagnetnih Curiejevih motorjev za pretvorbo toplote v delo. Med prednostmi je naštel preprosto zgradbo in mehanično odpornost. Ker je moč odvisna od temperaturne razlike, je mogoče s takim motorjem zaznavati temperaturo. Tovrstne motorje je moč izdelati v majhni izvedbi in jih poganjati s sončno svetlobo, ki jo navadno zberejo z lečo. Preprosto je mogoče obrniti smer gibanja. Z ravnim drogom namesto obroča naredijo linearni motor. Tega lahko izkoristijo za aktuator, to je napravo, ki se na spremembo razmer (tlaka, električne napetosti, temperature itd.) odzove s premikom. S tem lahko sproži delovanje druge naprave in tako nadzira stanje sistema. Slabosti pa sta majhna hitrost in majhna frekvenča (oboje zaradi tega, ker delovne snovi ni mogoče segreti in ohladiti zelo hitro) ter majhna moč in majhen izkoristek. Obstajajo tudi termomagnetni motorji za večjo moč, vendar niso počeni. Pred leti so prijavili nekaj novih patentov. Nekatere od njih so industrijsko preizkusili, a nobenega niso začeli izdelovati na veliko. Izjema je motor, s katerim dijakom in študentom pokažejo delovanje termomagnetnega motorja in odvisnost magnetnih lastnostih snovi od temperature. V večji meri utegnejo termomagnetne motorje uporabljati v posebnih razmerah, npr. na umetnih satelitih. SLIKA 2. Ena od izvedb termomagnetnega motorja iz patentne prijave Nikola Tesla. Pol trajnega magneta N privlači kos železa A in ga neha privlačiti, ko ga plamen gorilnika H segreje. Vzvod nihanje spremeni v vrtenje. SLIKA 3. Termomagnetni motor Heinza Siegfrieda Wolffa. Namesto plamena je uporabil vodo s temperaturo 40 °C; »W.L.« na fotografiji označuje gladino vode, videnje tudi permanentni magnet. Obroč iz pločevine je Wolff nadomestil s ploščicami, da je povečal navor. Slika je iz Wolffovega članka v reviji Journal of Scientific Instruments iz leta 1964. 14 PRESEK 43 (2015/2016) 3 14 FIZIKA Magnetne lastnosti snovi določa permeabilnost (relativna permeabilnost) Iz snovi si mislimo izdelan svitek, to je v obroč zvit valj. Okoli svitka ovijemo žico, po kateri teče električni tok; tako naviti žici pravimo tuljava. Zaradi prisotnosti snovi v svitku je gostota magnetnega polja B drugačna kot v prazni tuljavi. Velja B = ¡B0, če je B0 gostota v praznem prostoru v ovojih. V diamagnetnih snoveh, npr. v bizmutu, je permeabilnost npr. malo manjša kot 1, v praznem prostoru je enaka 1 in v parama-gnetnih snoveh, npr. v aluminiju, je malo večja kot 1. V diamagnetnih in paramagnetnih snoveh je gostota magnetnega polja sorazmerna s tokom po ovojih. V feromagnetnih snoveh, npr. v železu, niklju, kobaltu ter nekaterih spojinah in zlitinah, je permeabilnost veliko večja od 1 (slika 4). Gostota magnetnega polja v teh snoveh ni sorazmerna s tokom po ovojih, kar upoštevamo tako, da je permeabilnost odvisna od gostote magnetnega polja a = ¡(B). Poskuse s feromagnetnimi snovmi je zato treba izvajati premišljeno. Njihov izid je odvisen tudi od tega, kar se je z vzorčem dogajalo prej. V feromagnetni snovi, ki jo vzamemo iz magnetnega polja, preostane nekaj magnetnega polja, zato ju lahko uporabimo za izdelavo trajnih magnetov. SLIKA 4. Odvisnost permeabilnosti niklja od temperature. Povzeto po Članku Yaakova Kraftmakherja v reviji European Journal of Physics iz leta 1 997. Ta meritev je dala Curiejevo temperaturo okoli 612 K; nekateri drugi viri navajajo malo višjo vrednost (približno 627 K). _XXX Barvni sudoku sU sU sU V 8 x 8 kvadratkov moraš vpisati začetna naravna števila od 1 do 8 tako, da bo v vsaki vrstiči, v vsakem stolpču in v kvadratkih iste barve (pravokotnikih 2 x 4) nastopalo vseh 8 števil. D v O Q D (A > a. < CD > m I- -> >un -> a 3 4 2 1 8 1 4 6 5 7 3 4 1 6 5 3 5 7 1 3 6 8 L 8 l S P 6 Z E P 9 3 Z 8 1 7 5 3 Z 5 L L 8 P 6 8 1 4 9 Z S 3 7 L E Z 8 9 L S P 5 L 9 9 E Z 8 l 9 S 8 E L P 1 Z 2 4 L l S 3 9 8 XXX PRESEK 43 (2015/2016) 3 15