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假期合集 IYPT 2018 reference | 第12题 居里点发动机(高端大气版)

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Curie Point Engine

Make a nickel disc that can rotate freely around its axis.Place a magnet near the edge of the disc and heat this side of it. The disc starts to rotate. Investigate the parameters affecting the rotation and optimize the design for a steady motion.

制作一个可以绕轴自由旋转的镍盘。在圆盘边缘放一块磁铁并加热它的这一面。圆盘开始旋转。研究影响旋转的参数,并对圆盘的稳定运动进行优化设计。

首先给大家带来一个视频回顾居里点发动机怎样 工作的:

首先分析了材料,吹风机中的nichrome(镍铬合金)就是可以用作居里发动机的材料,因为加热到居里温度后会失去磁性,但冷却一段时间又能恢复磁性。

设计了一个铜片支架与镍圈边缘的结构

然后分析了镍圈为什么会转

磁畴,是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。

宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。

镍圈中的磁矩都指向不同的方向,所以镍圈不显磁性。但是把镍圈放入磁场时,磁畴中的原子指向一个方向,排列在磁场中。有这种现象叫物质叫铁磁性物质。

但是加热后,加热部位的原子开始随机运动,到达一个确切的温度即居里温度后,所有原子指向不同的方向,这时,未加热部位的原子能被磁铁吸引,而加热部分不能。受力不平衡,圈就会转动。等到下个section到达加热部位并达到居里温度后,圈又会转动。

这样就会一直转动下去

除了镍圈,我们可以看一个Curie Pendulum拓宽一下思路

镍的居里温度更容易达到,而且可以直接用硬币实现

如图所示,支架两侧分别是磁铁与螺丝,为了保护磁铁放了螺丝:这样热量就只会影响螺丝,不直接传到磁铁上。开始点蜡烛

一段时间后摆会开始运动

拿掉蜡烛就可以发现居里摆会停下

仔细看一下吧:

这里分享一个Curie Pendulum的PPT截图供大家参考,全文链接为:https://pan.baidu.com/s/1c28Q2EO(请及时下载保存,以免失效)

冷却过程中的斯特藩-玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann law),是热力学中的一个著名定律: 一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量(称为物体的辐射度或能量通量密度)j* 与黑体本身的热力学温度T (又称绝对温度)的四次方成正比。

改进版本的镍圈,就是我们今年的题目。

  • 上图是连续的镍圈

  • 下图是铝盘边缘悬挂单个的镍环

最后奉上一个时尚、大气、美观的居里点发动机


希望大家能在视频精细的组装教程下挑战自己٩(๑❛ᴗ❛๑)۶



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