การทดลองหาค่าอุณหภูมิคูรี (Curie temperature) ด้วยวิธีการอย่างง่าย

            สภาพความเป็นแม่เหล็กสัมพันธ์อย่างไรกับอุณหภูมิ นี่เป็นคำถามที่น่าสนใจ ก่อนที่จะอธิบายต่อไปเราต้องมาทำความรู้จักกับคำว่าพาราแมกเนติก (paramagnetic) และเฟอร์โรแมกเนติก (ferromagnetic) ก่อน พาราแมกเนติกหมายถึงวัสดุจำพวกอลูมิเนียมหรือทองคำขาวซึ่งสามารถทำให้เป็นแม่เหล็กได้ภายใต้สนามแม่เหล็กแต่คุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กนี้จะหายไปเมื่อเราเอาสนามแม่เหล็กออกไป ขณะเดียวกันเฟอร์โรแมกเนติกคือวัสดุจำพวกเหล็กหรือนิเกิลที่ยังคงมีคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กอยู่แม้จะไม่มีสนามแม่เหล็ก ซึ่งการไปเพิ่มอุณหภูมิให้กับวัสดุประเภทเฟอร์โรแมกเนติก จะทำให้มันเปลี่ยนคุณสมบัติจากเฟอร์โรแมกเนติกไปเป็นพาราแมกเนติก เพราะความร้อนที่เพิ่มขึ้นจะไปรบกวนการจัดเรียงตัวของโครงสร้างผลึกของมัน เราเรียกอุณหภูมินี้ว่าอุณหภูมิคูรี (Curie temperature) หรือจุดคูรี เราอาจจะคิดว่าอุณหภูมิคูรี ชื่อนี้มาจากนักวิทยาศาสตร์หญิงมารี คูรีผู้ได้รับรางวัลโนเบลถึง 2 ครั้ง แต่แท้จริงแล้วชื่อนี้มาจากชื่อปิแอร์ คูรีซึ่งเป็นสามีของมารี คูรี เมื่อรู้ว่าอุณหภูมิคูรีคืออะไรแล้ว คำถามคือแล้วเราจะรู้ได้อย่างไรว่าอุณหภูมิคูรีของวัสดุแต่ละชนิดมีค่าเท่าไหร่ 


          Bebeh Wahid Nuryadin และ Rusman Rusman ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง “Simple determination of Curie temperature using a smartphone magnetometer” ลงในวารสาร The Physics Teacher เมื่อวันที่ 23 สิงหาคม ค.ศ. 2019 โดยเป็นการออกแบบการทดลองอย่างง่ายไม่ซับซ้อนเพื่อวัดค่าอุณหภูมิคูรีของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกที่เราจะสนใจ โดยอุปกรณ์หลักที่ใช้มี 1). แม่เหล็กถาวรชิ้นเล็กๆสามชนิดคือแม่เหล็กเหล็ก (iron magnet) นีโอไดเมียม และเฟอร์ไรต์ 2). เทอโมมิเตอร์ที่มีเทอร์มอคัปเปิล (thermocouple) ชนิด NTC (negative temperature coefficient) 3). สมาทโฟนที่มีแมกนิโทมิเตอร์ (magnetometer) ซึ่งสามารถวัดค่าความเข้มของสนามแม่เหล็กได้ ซึ่งส่วนใหญ่สมาทโฟนในปัจจุบันจะมีอุปกรณ์การวัดนี้อยู่แล้ว พร้อมติดตั้งแอพพลิเคชั่น Physics Toolbox Sensor Suite ด้วย โดยการทดลองใช้ถ้วยใส่น้ำใส่น้ำเย็นแล้วรอให้อุณหภูมิของน้ำเคลื่อนเข้าใกล้สู่อุณหภูมิห้อง หรือใส่น้ำร้อนใกล้เดือดลงในถ้วยใส่น้ำแล้วรอให้น้ำมีอุณหภูมิลดลงเคลื่อนเข้าสู่อุณหภูมิห้อง โดยในถ้วยนั้นมีแม่เหล็กถาวรและเทอร์มอคัปเปิลถูกจุ่มอยู่ในน้ำ โดยเราคอยวัดอุณหภูมิเป็นช่วงๆในทุกๆ 0.2 K พร้อมทั้งใช้สมาทโฟนวางอยู่ใกล้ๆคอยวัดค่าความเข้มของสนามแม่เหล็ก โดยในการทดลองนี้เราจะทำการวัดและหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าการเป็นแม่เหล็กและอุณหภูมิของแม่เหล็กถาวรทั้งสามชนิด 


          การสังเกตแม่เหล็กที่ภายใต้อุณหภูมิน้อยกว่าอุณหภูมิคูรี (T≪T_C) โดยอาศัยความรู้จากเรื่อง Mean field theory (MFT) ที่เราเรียนในวิชาฟิสิกส์สถานะของแข็ง (เรื่องทฤษฎีนี้ค่อนข้างที่จะยากสำหรับนักเรียนหรือนักศึกษาปี 1 แต่สำหรับผู้สนใจสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากหนังสือ Solid state physics ของ Hook ซึ่งควรอ่านควบคู่ไปกับเล่มของ Kittel ด้วย) ซึ่งทำนายว่าสนามแม่เหล็กของวัสดุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติกจะลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โดยค่าการเป็นแม่เหล็ก (M)  ที่จุดวิกฤติ (β) สามารถอธิบายได้โดยใช้สมการต่อไปนี้
            ซึ่งจากผลการทดลองเราจะพลอตกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าการเป็นแม่เหล็กยกกำลังสอง (M²) กับอุณหภูมิของแม่เหล็กเหล็ก นีโอไดเมียม และเฟอร์ไรต์โดยแทนด้วยรูปดวงดาว วงกลมและสามเหลี่ยมตามลำดับ ซึ่งจากกราฟจะเห็นได้ว่า M² ลดลงเป็นเชิงเส้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น จะเห็นว่าค่า M จะเข้าสู่ศูนย์ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นสู่อุณหภูมิคูรี ซึ่งผลการทดลองและการคำนวณพบว่าอุณหภูมิคูรีที่ได้จากการทดลองของแม่เหล็กเหล็ก นีโอไดเมียม และเฟอร์ไรต์ คือ 1052.2 K (778.9 ºC), 625.7 K (352.6 ºC), 576.7 K (303.6 ºC) ตามลำดับ ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับอุณหภูมิคูรีที่แท้จริงคือ 1020 K (746.85 ºC), 583-673 K (309.85-399.85 ºC) (ขึ้นอยู่กับชนิดของแม่เหล็กนีโอไดเมียม), 573 K (299.85 ºC) ตามลำดับจะพบว่าค่าอุณหภูมิคูรีที่ได้จากการทดลองมีค่าใกล้เคียงกับค่าจริงมาก มีความคลาดเคลื่อนน้อย การทดลองที่ง่าย อุปกรณ์การทดลองราคาถูกหาได้ไม่ยากและให้ผลค่อนข้างแม่นยำนี้เหมาะสำหรับเป็นการทดลองสำหรับนักเรียน นักศึกษา โดยเราอาจจะลองเปลี่ยนเป็นแม่เหล็กชนิดอื่นๆและเปรียบเทียบกับค่าจริงดู  

 

อ้างอิง

• Nuryadin, B. W., & Rusman, R. (2019). Simple determination of Curie temperature using a smartphone magnetometer. The Physics Teacher, 57(6), 422-423.
• https://www.physlink.com/education/askexperts/ae595.cfm#:~:text=Paramagnetism%20refers%20to%20materials%20like,the%20magnetic%20field%20is%20removed.
• http://www.irm.umn.edu/hg2m/hg2m_b/hg2m_b.html