Химия и Химики № 8 2013. Точка (температура) Кюри

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Магнитные свойства веществ (введение)

Все вещества по их отношению к магнитному полю можно разделить на три группы: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.

Диамагнитные вещества выталкиваются из магнитного поля, т.к. при наложении поля диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Большинство веществ и материалов - диамагнетики, в качестве примеров можно назвать воду, графит, водород, азот, медь, живые организмы.

Парамагнитные вещества при наложении магнитного поля намагничиваются в направлении, которое совпадает с направлением внешнего магнитного поля. В результате парамагнетики притягиваются к магниту. К парамагнетикам принадлежит кислород, оксид и диоксид азота, супероксид калия, а также много металлов (например, платина, щелочные и щелочноземельные металлы).

При наложении внешнего поля магнитные моменты атомов диамагнетиков ориентируются против направления поля, атомы парамагнетиков - в направлении поля. В первом случае магнитное поле ослабляется, во втором - усиливается.

Однако диамагнетики и парамагнетики имеют общее свойство: их магнитная упорядоченность очень слабая. Другими словами, и ослабление поля диамагнетиками и усиление его парамагнетиками проявляется лишь в небольшой мере. Например, чтобы заметить, что висмут или графит отталкиваются от магнита, а натрий - притягивается, нужен мощный магнит [1].

В ферромагнитных веществах магнитные моменты атомов ориентируются в направлении, которое совпадает с направлением внешнего магнитного поля - в этом они подобны парамагнетикам, но в отличие от парамагнетиков, магнитная ориентация атомов довольно сильная - в результате ферромагнетики могут усиливать внешнее поле во много раз. Более того, магнитная упорядоченность (ориентация) атомов ферромагнетиков сохраняется и после снятия внешнего магнитного поля. Возникает т.н. постоянный магнит.

Самый известный ферромагнетик - железо и его сплавы. Менее известны магнитные свойства кобальта и никеля [2]. При комнатной температуре из простых веществ ферромагнитными свойствами обладает также гадолиний.

Магнитными свойствами обладает и целый ряд сплавов, в том числе и те, которые не содержат в своем составе ферромагнитных металлов, например, сплав Гейслера состоит из двух парамагнетиков - марганца и алюминия и одного диамагнетика - меди. Данный сплав обладает сильными ферромагнитными свойствами. Другой пример - сплав сильманал (марганец, серебро и алюминий).

Магнитными свойствами обладает также оксид железа (II, III) - магнетит Fe₃O₄ и родственные ему соединения (ферриты) [2a]. Ферромагнетиками являются и некоторые органические вещества, не содержащие металлов (правда, это экзотика).

В настоящее время наиболее перспективны магниты, которые состоят из сплавов редкоземельных элементов - самария, неодима и празеодима с кобальтом и железом. Такие магниты гораздо сильнее привычных магнитов на основе железа.

Магнитной упорядоченности ферромагнетиков противостоит тепловое движение атомов. Чем выше температура - тем сильнее тепловое движение. Если постоянный магнит нагревать, то при определенной температуре ферромагнетик перейдет в парамагнетик, т.е. остаточная намагниченность исчезнет. Такая температура называется точкой Кюри.

Если мы охладим образец, он снова станет ферромагнитным, но потерянная намагниченность не восстановится - для этого нужно наложить внешнее магнитное поле.

Температура (точка Кюри) названа в честь Пьера Кюри, который впервые показал, что выше определенной температуры ферромагнитные вещества переходят в парамагнитные.

Для железа точка Кюри равна 770°С, кобальта - 1127°С, магнетита Fe₃O₄ - 585°С, гадолиния - всего 19°С.

Существуют также антиферромагнитные вещества. В таких веществах магнитные моменты атомов ориентируются попарно: один в направлении внешнего поля, другой - против поля. В результате суммарный магнитный момент атомов близок к нулю.

В большинстве случаев антиферромагнитные вещества имеют сразу две точки перехода - точку Нееля и точку Кюри. Выше точки Нееля данные вещества проявляют парамагнитные свойства, а при охлаждении ниже этой точки становятся антиферромагнетиками, и, наконец, при охлаждении ниже точки Кюри они приобретают ферромагнитные свойства.

При определенных условиях антиферромагнетиками являются некоторые редкоземельные металлы, некоторые соли, а также - твердый кислород.

__________________________________________________
¹ Из этого правила есть важное исключение: сверхпроводники являются "абсолютными диамагнетиками" - они полностью выталкивают силовые линии магнитного поля из своего объема, но только до тех пор, пока сила внешнего магнитного поля не превысит определенную величину - в этот момент сверхпроводящее состояние исчезает.

² См. статью Получение пирофорных металлов; раздел Магнитные свойства кобальта и никеля [ссылка]

^2a Строго говоря, магнетит Fe₃O₄ и родственные ему соединения (ферриты) обладают не ферромагнитными, а ферримагнитными свойствами ("феррИмагнитными") - см. статью Магнетит - ферримагнитный оксид железа [ссылка].

Ферромагнетик - магнитные моменты вещества ориентированы в одном направлении

Антиферромагнетик - магнитные моменты вещества попарно ориентированы в противоположных направлениях и равны по силе

Выше точки Кюри в ферромагнетике происходит потеря магнитной упорядоченности, и он становится парамагнетиком.
Аналогичное происходит и с антиферромагнетиком, если его температура поднимется выше точки Нееля.

Переход железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное

Переход железа из ферромагнитного состояния в парамагнитное легко можно продемонстрировать с помощью самых простых средств. Я взял немного свернутой железной проволоки толщиной около миллиметра (такой проволокой фиксируют пробки бутылок с шампанским) и привязал ее с помощью длинного отрезка очень тонкой медной проволоки к горлышку бутылки. Сбоку закрепил магнит, вынутый из старого радиоприемника.

Необходимо было так разместить железную проволоку возле магнита, чтобы она "зависла в воздухе": с одной стороны ее притягивает магнит, но медная проволочка не дает железу приблизиться. После этого я отдалил железную проволочку от магнита так, чтобы она еще висела в воздухе, но была на грани падения.

Описанные манипуляции проводить было непросто: лишний раз убеждаешься, что магнитное поле дает сильное притяжение, но с расстоянием оно быстро ослабевает. Стоит сместить железную проволоку чуть ближе - и она намертво пристанет к магниту, чуть дальше - и она упадет под действием собственного веса.

Магнетизм - это вам не гравитация. С одной стороны, гравитационные силы слабые: вы можете поднять камень, который притягивает вся Земля - огромная планета. Но с другой стороны, от земного притяжения вы никуда не денетесь - даже на Луне: с расстоянием гравитационная сила убывает гораздо медленнее, чем магнетизм.

Вспоминается случай, описанный в книге Удивительная физика [3].

"...появился фантастический проект по спасению кораблей от пушечных ядер противника. Идея состояла в том, чтобы на корабле установить навстречу противнику мощные магниты, покрытые толстой броней. Ядра неприятеля должны были притягиваться близлежащим магнитом, сворачивать в его сторону и разбиваться о прочную броню. Остальные части корабля можно было бы оставить незащищенными.

В принципе все было верно, кроме того, что даже самый мощный из магнитов не может действовать на большом расстоянии. Представим себе, что мы имеем магнит, способный притянуть 10 т железа на расстоянии в 1 см. Это очень сильный магнит. Так вот, если мы отодвинем полезный предмет еще на 1 см, то сила притяжения упадет в 8 раз! На расстоянии в 1 м сила притяжения упадет в 1 000 000 раз, и ни о каком притягивании ядер не может быть и речи.

Но в прошлом веке еще не умели рассчитывать силы магнитов, и такой магнит-броня все-таки был построен в 1887 г. Этот магнит притягивал стальную плиту так, что для отрыва ее нужна была сила в 10 т. Четыре 120-килограммовых ядра висели одно за другим на полюсе магнита. Но за 2 м от магнита люди, имевшие стальные предметы в карманах, лишь едва чувствовали действие магнита. О притяжении ядер неприятеля нечего было и думать. Правда, на стрелку компаса такой магнит действовал за 10 км. "

Теперь приступим к эксперименту. Свернутая железная проволока "зависла " возле магнита: ферромагнетик притягивается к магнитному полю и стремится приблизиться к магниту. От этого его удерживает только медная проволока. А что случится, если ферромагнетик превратится в парамагнетик? Я взял горелку и направил пламя на железную проволоку (стараясь при этом не задевать пламенем магнит). Проволока раскалилась до красного свечения (частично - до желтого), начала медленно отдаляться от магнита - "провисать" и, наконец, упала. После охлаждения проволока снова стала притягиваться к магниту и опыт можно было повторять много раз.

При нагревании проволоки железо достигло температуры Кюри и стало парамагнетиком. Притяжение к магниту сохранилось, но резко ослабло - в результате проволока упала под действием собственного веса. Когда проволока вышла за пределы пламени, она быстро остыла и опять стала ферромагнетиком: она притянулась бы к магниту снова, если бы не отдалилась от него при падении.

Но, возможно, нагрев тут не при чем: поток газов из горелки просто "сдул" проволоку? Провел контрольный опыт: подачу газа открыл на максимум, но пламени зажигать не стал. Когда направил поток на проволочку, "зависшую" возле магнита, это не произвело на нее никакого впечатления.

Напомню, что для железа температура Кюри равна 770°С - с практической точки зрения это немало. Именно поэтому для опыта была выбрана легкая железная проволока - более массивный предмет нагреть до точки Кюри было бы сложнее. Даже в случае проволоки лишь часть ее достигло точки Кюри, но этого вполне достаточно - главное греть пламенем именно те участки проволоки, которые ближе всего к магниту (вспомните, что магнитные силы короткодействующие: притяжения дальних участков проволоки к магниту недостаточного для того, чтобы удержать ее в воздухе). В любом случае нужна хорошая горелка со сравнительно узким пламенем.

_______________________________________________
³ Нурбей Владимирович Гулиа - Удивительная физика: О чем умолчали учебники; раздел Сильны ли магнитные искушения? [ссылка]

Смотреть Видео (76 Мб, .avi )

Магнитный "вечный двигатель"

Вечные двигатели бывают (точнее - не бывают) разные. Во-первых, это вечные двигатель, который производит работы больше, чем тратит энергии - вечный двигатель первого рода. Такой двигатель смог бы совершать работу, не затрачивая энергии. Часть совершаемой ним работы можно было бы использовать в полезных целях, другая бы шла на выработку энергии, потребляемой самим двигателем.

К сожалению (а скорее - к счастью), вечный двигатель первого рода нарушает закон сохранения энергии - не удивительно, что такую машину никому построить не удалось. Многочисленные изобретатели вечных двигателей первого рода оказались либо фантазерами, либо жуликами. Первые чаще всего рисовали проекты вечных двигателей на бумаге, не удосужившись проверить их работоспособность на практике.

Некоторые из жуликов нажили неплохое состояние, демонстрируя свое изысканное (или не очень изысканное) надувательство. Например, такой была конструкция "вечного двигателя" Иоганна Орфиреуса, которым он смог одурачить многих, в частности - ландграфа Карла.

Вечный двигатель Иоганна Орфиреуса и его разоблачение

Шарлатан наверняка бы и умер, не зная горя, если бы ему не вздумалось поссориться со своей женой и служанкой. В отместку женщины выдали секрет "вечного двигателя".

Существует также и вечный двигатель второго рода (точнее - не существует). Такой двигатель совершает работы ровно столько, сколько тратит энергии. Закона сохранения энергии такой двигатель не нарушает. Однако второй закон термодинамики гласит: возможно полное превращение работы в теплоту, но невозможно полное превращение теплоты в работу. Другими словами, любой реальный двигатель совершает работы меньше, чем тратит энергии (это относится не только к тепловой энергии, но и к другим видам).

Есть также вечные двигатели "третьего рода" [4] - и такие двигатели действительно существуют. Строго говоря, эти двигатели не являются вечными - поскольку тратят энергии больше, чем совершают полезной работы (т.е. они не нарушают ни закон сохранения энергии, ни второе начало термодинамики). Однако источник энергии в таких двигателях либо неочевиден, либо они расходуют настолько мало энергии, что могут работать длительное время без получения энергии извне. В качестве примера можно назвать часы, которые запасаются энергией за счет перепадов атмосферного давления, температуры либо за счет толчков и вибраций при их ношении.

Существует и вечные двигатели на основе магнитных сил. Конструкции их разнообразны. Ниже описан один из таких магнитных вечных двигателей.

Обманывать не буду: до момента эксперимента я знал про магнитные вечные двигатели из уже упомянутой книги Удивительная физика [5]. Однако конструировать вечный двигатель не было даже мысли. Все, что я планировал - продемонстрировать переход ферромагнитной проволоки в диамагнитную в пламени газовой горелки. Этот эксперимент описан в предыдущем разделе. Однако там изложен далеко не первый его вариант.

Сначала я разместил проволочку слишком близко к магниту - в нескольких миллиметрах и направил на нее пламя газовой горелки. Когда проволока раскалилась, она отклонилась вниз и начала падать. Однако она так и не упала. Во время падения проволока вышла из пламени, моментально остыла ниже температуры Кюри и снова притянулась к магниту! Разумеется, проволока опять попала в пламя, за короткое время нагрелась и снова начала падать. Во время падения она остыла и в очередной раз притянулась к магниту.

В результате получились незатухающие колебания. На первый взгляд получился вечный двигатель: на его работу магнит ведь энергии не расходует! На самом деле энергию дает пламя горелки: стоит его убрать и "вечный двигатель" остановится.

Если проволочку закрепить дальше от магнита и направить на нее пламя, то проволочка нагреется, станет парамагнетиком и начнет падать. Но в этот раз магнит уже не успеет ее "подхватить" после того, как проволочка остынет и снова станет ферромагнитной. В результате проволока упадет - как и было первоначально задумано.

__________________________________________________
⁴ Обратите внимание. Термины "вечный двигатель первого рода" и "вечный двигатель второго рода" являются устоявшимися - "официальными". Название "вечный двигатель третьего рода" - всего лишь шутка автора, данное название не соответствует общепризнанному физическому термину.

⁵ Нурбей Владимирович Гулиа - Удивительная физика: О чем умолчали учебники; раздел Возможен ли магнитный "вечный двигатель"? [ссылка]

Смотреть Видео (86 Мб, .avi )