Curieova teplota a její demonstrace

Curieova teplota je poměrně zajímavým fyzikálním jevem, který se objevuje v mnoha oblastech vědy a techniky. Tato teplota označuje okamžik, při kterém feromagnetické látky ztrácejí své magnetické vlastnosti a stávají se paramagnetickými. Jinými slovy: Těleso, které lze pod Curieovou teplotou normálně zmagnetovat, se při vyšší teplotě rázem stává nemagnetickým. Pryč jsou doby, kdy tento jev nevědomky „zkoumala“ řada řidičů, kteří nechávali ve svém sluncem rozehřátém automobilu magnetofonové kazety, a pak se divily výrazně snížené kvalitě přehrávané hudby. Takže budeme muset tento jev demonstrovat asi jiným způsobem.

Ať již se rozhodnete svým žákům demonstrovat tuto vlastnost feromagnetických látek jen jako takový zajímavý trik jak „vypnout“ magnetismus, nebo se odhodláte k demonstraci právě (mnohdy zcela zbytečně 😒) vyložené teorie, vždy narazíte na absenci jakékoliv profesionální pomůcky. Budeme se muset tedy opět spolehnout na náš důvtip, šikovné ruce a to, co se to dá někde „vygooglit“.

Při výrobě školní pomůcky zaměřené na demonstraci Curieovy teploty je klíčové vybrat správný materiál, který by tento jev zřetelně ilustroval již při relativně nízké teplotě. Upřímně řečeno, při domácí výrobě takové pomůcky zase tam moc velkou paletu možných feromagnetických materiálů nemáme. Pro ilustraci, zde jsou hodnoty Curieových teplot několika běžně dostupných materiálů:

• Železo (Fe): 768 °C
• Ferrit (MgFe₂O₄): 397 °C
• Nikl (Ni): 358 °C

Jak vidíme, tak „rozumné“ teploty nám nabízí jen ferrit, což není pro naše účely moc využitelný materiál, nebo nikl. Právě nikl vyniká svou relativně nízkou Curieovou teplotou i dobrými mechanickými vlastnostmi, což usnadňuje jeho praktické použití při realizaci našeho fyzikálního experimentu. V tomto článku se tedy zaměříme na využití niklu jako ideálního kandidáta pro pomůcku na demonstraci Curieovy teploty.

Návrh experimentu

Takže úkol je jasný: Musíme někde sehnat kousek niklu. Internetové hledání niklu nám trochu zkomplikuje fakt, že pod názvem tohoto prvku existuje docela úspěšná firma zabývající se prodejem rybářských potřeb. Takže pokud se proklikáme všemi nástrahami rybářských nástrah, širokou nabídkou boilies, těstíček a sušené kukuřice s příchutí jahod…, objevíme asi tak dva možné zdroje využitelného feromagnetického niklu:

1. nikl lze koupit v podobě jakýchsi peletek [1 g (tj. 20 ks) za 5 Kč] u firmy Unimagnet
2. niklové úlomky [1 g za 4 Kč] lze zakoupit u firmy Svět Prvků
   (nebo tamtéž nabízejí asi půlkilovou niklovou elektrodu za 1500 Kč)

Mince jako zdroj niklu

Opravdu zajímavým a netradičním zdrojem niklu mohou být některé mince. Určitě je zde možnost použití amerického „nikláku“ (50 centů), niklové jádro by měly mít i mince 1 € a 2 €, které ale jsou magnetické jen částečně (obvod mincí je vyrobený ze slitin kovů, které jsou nemagnetické).

Použití mince celý pokus jistě pro žáky zatraktivní, ale především nám při stavbě pomůcky poskytne i (oproti niklovým peletkám nebo niklovým úlomkům) rozumně tvarovaný feromagnetický předmět, který lze zavěsit na kousek měděného drátu (viz obr. 1).

Obr. č. 1 – Sestava experimentu pro demonstraci Curieovy teploty s užitím niklové pětikoruny z roku 1938

Z českých mincí se na současné mince spoléhat nemůžeme, neboť některé jsou sice potaženy niklem, ale zároveň mají ocelové jádro. Uspět naopak můžeme u některých historických mincí. Je však třeba vybírat mezi některými numismaticky nezajímavými kousky, kupříkladu použití niklové pětikoruny z roky 1937 nebo niklového pětníku z roku 1924 by mohlo stavbu naší DIY pomůcku pěkně prodražit! 😉 Naopak pokud použijeme niklovou pětikoruny (1918–1939) kupříkladu jen o rok mladší nebo straší, jedná se o zcela běžnou minci, kterou lze získat na jakékoliv numismatické burze (nebo trochu dráž na Aukro) v cenové relaci obdobné použití eurových mincí. Feromagnetický efekt je však při použití niklové pětikoruny mnohem výraznější než při použití eurových mincí, takže rozhodně doporučujeme použít niklovou pětikorunu!

Koncepce našeho experimentu je nyní zcela jasná a vychází ze základní definice Curieovy teploty. Na začátku vezmeme předmět z feromagnetického materiálu (niklovou minci) a ukážeme pomocí permanentního magnetu jeho magnetické vlastnosti. Například, že se mince k použitému permanentnímu magnetu přitahuje (obr. 2).

Obr. č. 2 – Přitahování mince k permanentnímu magnetu při pokojové teplotě

Pak feromagnetické těleso zahřejeme nad Curieovu teplotu – kupříkladu školním kahanem (obr. 3). Vůbec se nemusíme se bát, že bychom mohli kahanem nikl třeba roztavit, protože jeho teplota tání je přibližně 1455 °C! To bychom dříve přetavili měděný drátek závěsu mince.

Obr. č. 3 – Ohřátí niklové mince nad teplotu 358 °C

Obr. č. 4 – Niklová mince ohřátá nad Curieovu teplotu

Pokud necháme těleso postupně vychladnout, můžeme pozorovat, jak se magnetické vlastnosti minci vracejí – pomalu se opět začíná přitahovat k přiblíženému magnetu.

Závěrem

Ukázali jsme si, jak lze poměrně jednoduchým (ale přesto efektním) způsobem demonstrovat tzv. Curieovu teplotu feromagnetických látek. Samotná stavba pomůcky ani její celková pořizovací cena nám jistě vrásky na čele neudělá. Jediná věc, na kterou bychom si zejména při výrobě pomůcky měli dát pozor, je možná alergická reakce na nikl. Na místě, kde se nikl dotkne kůže, mohou vzniknout svědivé vyrážky (tzv. kontaktní dermatitidy). Projevuje se to asi u 6–18% obyvatelstva a je to doprovázeno nejprve zarudnutím kůže, při trvalém styku s předměty z niklu až vznikem kožních ekzémů. Takže si určitě dejte pozor při vrtání otvoru do mince, abyste si například do prstů zbytečně nezadřeli niklovou šponu. Vzniklé špony tedy můžeme například sesbírat magnetem, když už nyní víme, že nikl je feromagnetická látka. 😉