居里点发动机的设计、制作与调试

国庆节期间，阿尧对一本科学杂志上介绍的磁现象很感兴趣，遇到一些不明白的问题，向我求教。儿子向老爸求教，老爸求之不得，父子俩赶紧在家里详细切磋了一下磁现象的电本质，从分子运动论的角度解释了磁化和消磁现象，并在网上进行了一番检索。

偶然查到了如下图所示的一种利用周期性磁化和消磁现象制作的自动打铃机，只要一点火，就会打铃，非常有趣。

不过，这台打铃机只能周期性的摆动，不能连续转动。如果依照上图的磁化与消磁原理，把细铁丝转化成一个轮子，中间支起，轮子的一侧用磁铁吸引，边缘用火焰烘烤，火焰灼烧的部分温度升高，超过居里点，失去磁性，而另一侧依然受到磁力作用，轮子对轴的力矩就不再为零，轮子就会因此获得动力而旋转起来。

如此这样，就可以制作一台居里点发动机。

原来，铁磁性物质加热消磁的时候，有一个临界温度，叫做居里温度，也称居里点或磁性转变点，是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间转变的温度，即铁磁体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。

为了达到最理想的效果，就要使用居里点最低的金属。网上查得，居里点最低的金属是镍，而这种金属生活中不好找，即便是找到了，也不好辨别，因为这货和铁一样，可以被磁铁吸引。

值得庆幸的，我的初中、高中、大学三级同学、河南师范大学化学与环境科学学院的汤宏伟教授正在从事镍系电池的高端研究，手边刚好有一些泡沫镍，呈海绵状。

关键是镍的居里点为358℃，恰好在酒精灯火焰的加热温度之内。

我说：那你给我弄几片吧。

他说：这几天我要到河南理工大学做交流，给你捎几片过去。

我说：酒已经灌好了……

很快，汤教授带领他的科研团队来河南理工大学做交流，给我送来了实验用的泡沫镍片。

当然就像歌儿唱的那样：朋友来了有好酒，要是那……

这就是汤教授赠送的泡沫镍，海绵状，如果能剪成一个轮子，中间用针做轴，支撑起来，转动惯量是很小的。

泡沫镍照片

这是我们自备的强磁铁，如果用这枚强磁铁去吸引泡沫镍圆片，它将受力均匀，不会旋转的。

如果用酒精灯烘烤泡沫镍圆片，镍圆片上就会有一部分失去磁性，圆片就会朝着固定的方向旋转了。

这预期实验效果，令人神往……

镍轮的设计与制作

2017年10月15日，周日。我们起个大早，来到校园，校园里非常安静，我们带齐所需物品，在创新工作室里开展科技制作活动。

在居里点发动机的制作中，镍轮的制作非常关键，镍轮质量的好坏将决定着居里点发动机的能否正常运行。

为了最大限度地用泡沫镍片，就必须确定方形镍片的内接圆。为此，连接镍片的对角线，确定圆心，然后用圆规画出内切圆。由于镍片不是理想的正方形，所以优先考虑让圆与较窄的对边相切。

确定圆心 画内切圆

剪制镍轮

用剪刀小心地沿着外接圆将镍轮剪出，作为居里点发动机的飞轮备用。泡沫镍的质地较为松软，用剪刀剪泡沫镍，有剪硬纸片的感觉。

用自动铅笔芯作为镍轮的转轴

取一支自动铅笔，按压自动铅笔，使其伸出长约5毫米的笔芯，然后竖直向上插入镍轮的圆心，作为轮轴。

轻轻拨动镍轮 观察运动平稳性

轻轻地转动镍轮，观察镍轮的旋转是否平稳，若不平稳，需要调节至平稳。

居里点发动机的组装与调试

将镍轮的转轴竖直固定在铁架台上，使镍轮水平靠近磁铁，用打火机的火焰轻轻灼烧镍轮，观察镍轮的运动规律。

将镍轮的转轴竖直固定在铁架台上，点燃酒精灯，手持自动铅笔，让镍轮在酒精灯火焰上轻轻烘烤，观察镍轮的运动规律。

居里点发动机装置图

将支撑泡沫镍轮的自动铅笔用铁夹竖直固定在铁架台上，调节铁夹的位置，让镍轮的边缘位于酒精灯火焰的上方。

用另一只铁夹将强磁铁夹持，调节强磁铁的角度与高度，与镍轮高度等高。在磁铁的引力作用下，镍轮保持水平位置。

使强磁铁与泡沫镍轮之间保留一些缝隙，既让磁铁与镍轮之间有较强的磁相互作用，又避免摩擦。

将加热用的小酒精灯放置在镍轮下方，把酒精灯火焰调小，小心调节酒精灯的位置，既要不灼烧磁铁，又要不灼烧自动铅笔，仅仅灼烧镍轮的边缘。

逐渐改变酒精灯火焰的位置，观察镍轮转动方向与酒精灯火焰位置的关系。

尽量减少酒精灯的加热时间，防止自动铅笔和强磁铁过热。

居里点发动机效果图

居里点发动机的工作视频

科学探究心得

1.在本次科学探究中，素材的选取非常重要，铁、钴、镍都可以作为这类实验的素材。但是，铁的居里点为769℃，钴的居里点为1131℃，镍的居里点为358℃，而酒精灯火焰的温度只有300-400℃，显然镍是比较合适的实验材料。

2.泡沫镍片孔隙率高，受热快，散热也快，有利于能量在热机内的流动。

3.镍轮的偏心率对实验的影响较大，要尽量避免偏心现象。

4.泡沫镍的密度很小，转动惯量很小，偏心带来的磁作用力变化导致镍轮的转动忽快忽慢，不太平稳；如果用镍片代替泡沫镍，预期效果会更好些。

鸣  谢

在本次科学探究中，河南师范大学化学与环境科学学院汤宏伟教授提供了实验用的泡沫镍片，焦作十一中王凤莲老师帮忙准备了酒精灯和铁架台，在此一并表示感谢。

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