Curiepunt motor 

(Verschenen in maandblad "Natuur & Techniek" , oktober 2003)

'Perpetuum mobile' van vuursteentjes

Heden ten dage leren kinderen al vroeg dat perpetuum mobiles (Latijn voor eeuwig durende bewegingen) niet bestaan. Zonder energiebron geen beweging. Maar de illusie van een ‘eeuwigdurende beweging’ blijft ons aanspreken. Met vuursteentjes is een wieltje te maken dat spontaan lijkt te draaien.

 Reinier Ott

curiepunt motor (klik op de figuur voor technische uitvoering)

Dit ‘eeuwig draaiende’ wiel werkt met magnetisme, maar we maken geen gebruik van lorentzkrachten zoals een elektromotor bijvoorbeeld doet. In plaats daarvan benutten we een minder bekende eigenschap van ferromagnetische materialen. Vrijwel al deze materialen kennen namelijk een temperatuur waarbij ze niet meer door een magneet worden aangetrokken, de zogenoemde curietemperatuur.

Het leuke is dat dit proces omkeerbaar is; het materiaal krijgt zijn magnetische eigenschappen terug als het weer afkoelt. De benodigde energie voor ons motortje komt dus niet van elektriciteit maar van een temperatuurverschil. We construeren een apparaatje dat handig gebruik maakt van deze eigenschap om een roterende beweging tot stand te brengen.

Zeldzame aarden

In de meeste gevallen ligt de curietemperatuur op honderden graden celsius. Er bestaan slechts een paar materialen die al bij kamertemperatuur hun magnetische eigenschappen verliezen. De kunst was om een geschikt materiaal te vinden dat gemakkelijk verkrijgbaar is en relatief goedkoop, altijd een belangrijke eis in deze rubriek.

Hiervoor moeten we terug naar de materiaalkundeles. In het periodieke systeem der elementen staan vijftien elementen, bekend onder de naam zeldzame aarden of Lanthaniden, ontleent aan het element lanthanium dat deze reeks aanvoert. Deze elementen bezitten in meer of mindere mate bijzondere eigenschappen waarmee ze zich onderscheiden van de ‘conventionele’ metalen als ijzer, nikkel en kobalt.

Ook het magnetisch gedrag is vaak bijzonder. Zo kent het element gadolinium (Gd) uit deze reeks een curietemperatuur tussen de 16 tot 20 graden celsius. Buitengewoon laag dus. Deze stof heeft nog een typische eigenschap. In het begin van de 20^e eeuw ontdekte Auer von Welsbach dat het pyrofoor is, dat wil zeggen dat er bij wrijving spontaan vonken optreden. Hij ontwikkelde een legering waarin dit effect versterkt aanwezig was door gadolinium te mengen met onder andere cerium (ook een lanthanide) en ijzer en magnesium en bracht dit op de markt onder de naam Auermetall als vuursteentje voor zakaanstekers en dergelijke. Hetzelfde materiaal is tegenwoordig nog steeds te koop in de bekende buisjes. We hebben onze goedkope ‘brandstof’ gevonden!

Het leuke is trouwens dat de vonkenmakende eigenschap verbonden lijkt met het temperatuur-afhankelijk-magnetischgedrag bij kamertemperatuur. Het heeft dus zin om een beetje te shoppen om de voor ons doel beste vuursteentjes in handen te krijgen.

Speelruimte

Mijn basismodel bestond uit een lichtlopend en goed uitgebalanceerd wiel dat rondom is ingelegd met dertig vuursteentjes. Aan de achterzijde bevindt zich een permanent magneet. Het wiel draait in een uitsparing van een aluminium blok, het koelblok. Zo dat er een optimale warmteoverdracht is, maar met voldoende speelruimte om het wiel niet aan te laten lopen. 

Wanneer we het motortje in zijn geheel een uurtje in de koelkast zetten, koelt het koelblok goed af. Daarna zetten we onze apparaat in de vensterbank in de zon. Doordat het aluminium blok de koelte beter vasthoudt dan de rest van de motor zal het segment van het wiel, dat zich bevindt in dit koelblok, een lagere temperatuur hebben dan het deel er buiten. De vuursteentjes die in de zon hangen, verliezen hun ferromagnetische eigenschappen, maar de gekoelde vuursteentjes niet. De koude steentjes worden aangetrokken door de magneet en het wiel begint te draaien!

Het wiel maakt een draaiing over ongeveer negentig graden. Na een korte tijd herhaalt het proces zich als zich een nieuw warmte-evenwicht heeft ingesteld: de koude steentjes warmen op in de zon en de warme steentjes koelen af in het koelblok. Zolang de temperatuurgradiënt blijft bestaan, zal het proces zich herhalen. Een hoog rendement heeft onze motor zeker niet – in het meest gunstige geval duurt een hele omwenteling circa twintig seconden – maar het werkt. Niet bijster snel, maar daar staat tegenover dat de vuursteentjes erg lang mee gaan.

Zelf bouwen

Een goede werking van het apparaat valt of staat bij een goede constructie en lagering van het vuursteentjeswiel. Wanneer U over een metaaldraaibank bezit, zal het zelf bouwen vermoedelijk weinig problemen opleveren, anders moet u een beroep doen op uw vindingrijkheid.

Voor de constructie is het van belang dat u – de permanente magneet, de centrale as en de vuursteentjes uitgezonderd – geen magnetische materialen als ijzer en nikkel gebruikt. Ik koos eerst per vergissing voor een wiel van metaal en dat werkt gegarandeerd niet. Gebruik voor het wiel een stevige kunststof of foambord en balanceer het goed uit, bijvoorbeeld door er gewichtjes op te lijmen. Laat u overigens niet verleiden het wiel even na te draaien op een draaibank om te controleren of alle slingering eruit is. De vuursteentjes doen dan zeker hun naam eer aan en dat is meer iets voor oudejaarsavond.

Nadeel aan vuursteentjes is dat ze onedel zijn en dus in vochtige lucht corroderen. Een beetje verf doet wonderen. Helemaal mooi is een glazen stolp om de motor tegen de condensvorming na het koelkastbezoek.

Het meest kritische deel is het asje waarop het wiel draait. Het moet aan beide zijden worden voorzien van puntvormige uiteinden. Een oud metaalboortje of een naald voldoen goed. De ‘taatslagertjes’ (de komvormige schroeven) die het wiel dragen, haalt u uit een oude mechanische wekker. In dat geval hoeft u geen punten te slijpen. Is een wekker niet voorhanden, dan zijn twee stripjes niet al te dun staal of messing plaat een redelijk alternatief. Zaag de strips op maat en sla ter hoogte van de as een putje.

Nu moet u op zoek naar een geschikte magneet. Mooi is een krachtig neodymiummagneet (ook een lanthanide), maar een magneet uit een oude fietsdynamo voldoet ook prima. Het is even zoeken naar de optimale afstand tussen de magneet en het wiel. Let wel, de kleinste afstand is niet per se de beste. Dit is namelijk afhankelijk van de manier waarop de veldlijnen door de magneet lopen.

Als laatste heeft u een drager nodig: een goede warmtegeleider met enige massa. Met een machinepark weer geen probleem. In dat geval freest u de juiste vorm uit een blok aluminium. Maar u kunt de drager ook maken door een aantal aluminium strips op elkaar te schroeven of te lijmen.

Wanneer na noeste arbeid alles naar behoren is gemonteerd en afgesteld en het apparaat een uurtje heeft gekoeld, zal hij op een warm plekje voorzichtig gaan draaien. Die koelkast is wellicht niet eens meer nodig als u een aantal details verbetert om de warmtegradiënt in het wiel te verbeteren. Dan heeft u een ludiek sieraad in de vensterbank dat blijft draaien zolang de zon schijnt.

Curietemperaturen

nl.wikipedia.org/wiki/Curietemperatuur