磁體為什麼一直製冷

『壹』 磁製冷概念定義

磁製冷是利用磁熱效應，即融製冷工質在等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱去磁時溫度降低，從外界吸收熱量的現象。磁製冷技術中的製冷工質是固態的磁性材料。磁性材料的離子或原子磁矩在無外磁場時是雜亂無章的，加外磁場後，原子的磁矩沿外磁場取向排列，使磁矩有序化，從而減少材料的磁惰，向外放出熱量。一旦去掉外磁場，材料系統的磁有序減小，磁熵增大，從外界吸收熱量。磁熵是溫度和磁場的函數，通過控制磁熵，磁性材料不斷從一端吸熱而在另一端放熱，從而達到製冷目的。

磁製冷根據製冷溫度區分為低溫磁製冷和高溫磁製冷。低溫磁製冷在16K以下的極低溫區，磁離子系統的磁熵變近似等於整個固體的總熵變，磁製冷採用卡諾循環，磁材料用稀土順磁鹽。磁製冷卡諾循環包括等溫磁化、絕熱退磁、等溫退磁和絕熱磁化四個過程，通過這些過程，磁性材料在兩端進行吸熱和放熱，實現製冷。

開發出的磁材料有釓鎵石榴石（Gd3Ga5O12）、鏑鋁石榴石（Dy3Al5O12）等，其製冷溫度范圍為(4.2~20)K。正在開發的磁材料如Ral2和RNi2（R代表Gd、Dy、Ho、Er等重稀土），其製冷溫度范圍為（15~77）K。磁製冷裝置需要有超導強磁體產生強度達(4~7)T的磁場，利用旋轉法實現循環，將磁介質做成小球狀充填入空心圓環中，通過圓環的旋轉實現磁化放熱和退磁吸熱製冷。

高溫磁製冷在20K以上，特別是近室溫附近，磁性離子系統的熱運動加強，順磁鹽中磁有序態難以形成，磁熱效應減弱。這時應採用艾里克森循環（Ericsson），它由等溫磁化、等磁場過程、等溫退磁和等磁場過程四個過程組成，通過這些過程，金屬釓在不同溫度區間實現製冷。

高溫磁製冷研究包括尋找合適的磁材料、採用高磁通密度的永磁體以及研究最合適的磁循環並解決實現循環所涉及到的熱交換問題。目前，力圖使高溫磁製冷實用化的研究包括尋找具有大離子磁矩、接近室溫的居里點、較小磁場作用時能引起顯著磁熱效應的磁材料，以及優化磁循環和解決熱交換問題。

基於「磁熱效應」（MCE）的磁製冷是傳統的蒸汽循環製冷技術的一種有希望的替代方法。在有這種效應的材料中，施加和除去一個外加磁場時磁動量的排列和隨機化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當在上個世紀90年代後期被發現時曾引起人們很大興趣。

『貳』 磁冰箱原理

磁冰箱

磁冰箱是利用磁熱效應製冷的冰箱
傳統的冰箱或製冷機採用的是氣體壓縮循環系統，也就是將容易液化的氟利昂氣體用泵送到製冷機內部吸收熱量，然後傳送到製冷機外面。當氣體通過製冷機背後的蛇形管時，壓縮機的壓力使氣體冷凝並向周圍散發熱量。在整個循環過程中，氟利昂和管壁之間的摩擦要消耗能量。因此，即使是最好的氣體壓縮式製冷機效率也只有40％。而且，氟利昂冰箱在廢棄後，它釋放出的氟利昂會進入大氣破壞臭氧層。
而磁冰箱不用氣體介質，其效率可達60％以上。新研製的磁冰箱的核心是一個旋轉裝置，裝置包括含有金屬釓片的轉輪和一塊高磁場強度稀土永磁鐵。釓是一種特殊的金屬，它被置於磁性環境後溫度升高，當磁場被去除後則溫度下降，這一現象被稱為「磁熱效應」。工作時，釓輪通過永磁鐵缺口進入磁場後出現巨大的磁熱效應，由此導致釓輪升溫，系統內第一條循環管道的水將釓輪溫度升高獲得的熱量帶走以使釓輪冷卻；當釓輪離開磁場後，釓輪溫度就會下降到比它進入磁場前還要低的溫度，此時系統內第二條循環管道的水通過釓輪並被釓輪冷卻，被冷卻的水成為製冷源，可用於製冷。
「我們正在見證歷史，」美國能源部的冶金專家、愛荷華州立大學教授卡爾·格斯克奈德這樣說。因為這一新的科研成果將改變傳統的冰箱製冷系統，不再排放使地球變暖的氣體，對於環境保護具有重要意義。與此同時，它的製冷系統在工作時幾乎沒有聲音，因為它沒有什麼振動。
這種製冷系統的另一個優點是節能。這位專家說，這種磁冰箱只耗費驅動釓輪轉動的發動機和抽水機的電力，節省了電能。剛開始要完全靠電，以後還可以發展到用電池驅動。他還說，這種磁冷卻技術今後將廣泛用於空調、冷凍和其它商用和家用設備。
應該說，利用「磁熱效應」製冷，人類已經研究了很長時間。早在1918年，科學家們就發現有些金屬在磁化時會變熱，而退磁後又會變冷。從那以後，對於用這種效應製冷的研究和探索從未停止過，但長期以來，這個領域的研究進展非常緩慢。
美國埃姆斯實驗室是從1985年開始在磁冰箱領域進行研究的，主要為美國的宇航公司研製，同時得到了美國能源部的資助。剛開始時，埃姆斯實驗室的研究人員用笨重的超導磁鐵來研究設計磁冰箱，遭到多次挫折。這次研發出來的新產品採用了新技術，首次使用了永磁鐵。與此同時，埃姆斯實驗室的研究人員還開發出了大量製造硅鍺釓合金技術，這種材料具有更高的磁製冷效果，比使用純釓磁製冷材料的效率要高出很多。

磁熱效應：magnetocaloric effect

絕熱過程中鐵磁體或順磁體的溫度隨磁場強度的改變而變化的現象。
這一效應的數學表示是,其中H是磁場強度，S是磁介質的熵，T是熱力學溫度。
用熱力學理論研究磁介質的熱力學性質，可以得到如下關系
其中是磁場強度H不變時單位體積的熱容[1]，表示磁場強度H不變時磁化強度M隨溫度T的變化率。利用這個關系,並設磁介質遵守居里定律可以得到關系。
對於順磁介質,ⅹ和K都是正數,磁介質的熱容CH也是正數，故有
可見，絕熱地減小磁場時，物質的溫度將降低。這種現象叫做磁致冷效應。利用絕熱去磁法獲得低溫，就是依據這一效應。因為在沒有磁場時，各個磁活動性離子的角動量取向是混亂的,使得每摩爾分子的熵,除了點陣振動所引起的部分外，又增加了一部分。若將磁介質在溫度保持一定的情況下放入強磁場中，磁場將使所有離子的角動量取能量較小的方向,因而減小了系統的熵,這時有熱量ΔQ＝ΔS/T流出磁介質。若再絕熱地慢慢減小磁場,使整個過程為可逆過程，則系統的總熵保持不變，但過程中各離子角動量取向引起的熵增加到原來的值，所以與點陣振動相聯系的那部分熵必然減小，結果物質被冷卻。絕熱去磁法是現代得到低溫的有效方法，可以得到約0.001K的低溫。
物質的點陣振動和磁矩取向都對系統的熵有貢獻，如先在等溫情形下加外磁場，物質被磁化，分子磁矩趨向於一致的排列，對熵的貢獻減小，系統放出熱量；然後在絕熱條件下撤去外磁場，磁矩恢復為無規排列，相應的熵增加，但由於是絕熱去磁，系統的總熵不變，磁矩的熵的增加是以點陣振動的熵的減少作代價，這導致物質的冷卻。絕熱去磁與絕熱去極化一樣可用來獲得低溫 。
基於「磁熱效應」（MCE）的磁製冷是傳統的蒸汽循環製冷技術的一種有希望的替代方法。在有這種效應的材料中，施加和除去一個外加磁場時磁動量的排列和隨機化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當在上個世紀90年代後期被發現時曾引起人們很大興趣。該化合物作為製冷物質有一個缺點：當在該材料表現出大的磁熱效應的溫度范圍內循環其磁化時，它會因磁滯現象而損失大量能量。但是現在，研究人員找到了克服這一問題的一個簡單方法。只是通過添加少量鐵，就可將磁滯現象減少90%，所獲得的合金成為一種性能得到很大改善的製冷物質，可在接近室溫的環境下應用

『叄』 磁製冷技術的原理是什麼

磁製冷是一種利用磁性材料的磁熱效應來實現製冷的新技術，所謂磁熱效應是指外加磁場發生變化時磁性材料的磁矩有序排列發生變化，即磁熵改變，導致材料自身發生吸、放熱的現象。

在無外加磁場時，磁性材料內磁矩的方向是雜亂無章的，表現為材料的磁熵較大；有外加磁場時，材料內磁矩 的取向逐 漸趨於一致，表現為材料的磁熵較小。

磁製冷基本原理如圖所示，在勵磁的過程中，磁性材料的磁矩沿磁場方向由無序到有序，磁熵減小，由熱力學知識可知此時磁工質向外放熱；在去磁的過程中，磁性材料的磁矩沿磁場方向由有序到無序，磁熵增大，此時磁工質從外部吸熱。

其次在絕熱條件下，磁工質與外界沒有發生熱量交換，在勵磁和去磁的過程中，磁場對材料做功，使材料的內能改變，從而使材料本身的溫度發生變化。

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磁製冷技術發展歷史

1、1881 年，Warburg在金屬鐵中首次發現了這種現象，隨後 Giauque進行了絕熱去磁的應用研究， 並於1927年獲得小於1 K的低溫。

2、1976 年室溫磁製冷技術出現了突破性進展，美國NASA的Brown採用稀土金屬釓（Gd）搭建了第一台室溫磁製冷樣機，並引入回熱概念，在7T超導磁場下獲得47K無負荷製冷溫跨。

3、基於回熱器式室溫系統的實踐經驗，1982年Barclay與Steyert進一步提出了主動磁回熱器原理，並構建出主動磁製冷循環，為目前絕大多數室溫磁製冷機採用。當前室溫磁製冷技術已在磁熱材料研發、流程設計回熱器制備工藝、磁路設計等方面獲得了不小的進步。

4、1997年Gschneidner 和 Gschneidner發現了GdSiGe基材料的巨磁熱效應，隨後胡鳳霞等發現了比 Gd 絕熱溫變更大且價格更便宜的LaFeSi基材料；當單層 AMR 技術滿足不了製冷性能的需求時，通過元素調節和摻雜可以調節材料的居里溫度點，為多層 AMR 的應用奠定了材料學基礎。

『肆』 磁製冷的概念定義

磁製冷就是利用磁熱效應，又稱磁卡效應 (MagnetoCaloric Effect) 的製冷.磁熱效應是指融製冷工質在等溫磁化時向外界放出熱量，而絕熱去磁時溫度降低，從外界吸收熱量的現象.磁製冷技術中的製冷工質是固態的磁性材料.我們知道，物質由原子構成，原子由電子和原子核構成，電子有自旋磁矩還有軌道磁矩，這使得有些物質的原子或離子帶有磁矩. JI頂磁性材料的離子或原子磁矩在無外磁場時是雜亂無章的，加外磁場後，原子的磁矩沿外磁場取向排列，使磁矩有序化，從而減少材料的磁惰，因而會向外放出熱量;而一旦去掉外磁場，材料系統的磁有序減小，磁惱增大，因而會從外界吸收熱量.磁'腦是溫度和磁場的函數，如果把這樣兩個絕熱去磁引起的吸熱過程和絕熱磁化引起的放熱過程用一個循環連接起來，通過外加磁場，有意識地控制磁惰，就可使得磁性材料不斷地從一端吸熱而在另一端放熱，從而達到製冷的目的。
(1)
不同的磁介質產生的附加磁場情況不同，附加磁場與原磁場方向相同的磁介質為順磁體（如鐵、錳）；附加磁場與原磁場方向相反的磁介質為抗磁體（如鉍、氫等）。磁感應強度單位是特斯拉（Tesla），用符號T表示，量綱為N/Am。
依熱力學方法討論磁製冷。設物體的磁矩為 物體在磁場H中磁矩增加 時，磁場對物體作功為 。該過程中物體吸熱 ，內能增加 。則由熱力學第一定律有
(2)
式中 ----- 真空磁導率，；
―― ----- 磁場強度，A/m；
―― ----- 磁矩，。
將式(2)與熟知的氣體熱力學第一定律表達式 相類比。磁系統中的相當於氣體系統中的壓力 ； 則相當於體積 。並類似地引出磁熵 的概念。用 圖可以描述磁性物體的磁熱狀態，反映出物體溫度T、磁熵與磁場B（常用磁感應強度代替磁場度H）三者之者的關系。
低溫磁製冷
在16K以下的極低溫區，由於固體的晶格振動和傳導電子的熱運動可以忽略，故磁離子系統的磁熵變近似等於整個固體的總熵變這種情況下，磁製冷採用卡諾循環，磁材料用稀土順磁鹽。
磁製冷卡諾循環如圖1所示。它由四個過程組成：
1－2 為等溫磁化（排放熱量）；
2－3 為絕熱退磁（溫度降低）；
3－4 為等溫退磁（吸收熱量製冷）；
4－1 為絕熱磁化（溫度升高）。

已開發出的磁材料有：釓鎵石榴（Gd3Ga5O12）、鏑鋁石榴石（Dy3Al5O12）、釓鎵鋁石榴石（Gd3（Ga1-xAl2）5O12,x=(0.1~0.4)。其製冷溫度范圍：(4.2~20)K。
正在開發的磁材料有：Ral2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其製冷溫度范圍：（15~77）K。
磁製冷裝置 首先需要有超導強磁體，用於產生強度達(4~7)T的磁場。用旋轉法實現循環：將釓鎵石榴石（磁介質）做成小球狀，充填入一個空心圓環中。使圓環繞中心軸旋轉，轉到冰箱外的半環受磁場作用，磁化放熱；轉到冰箱內的半環退磁，吸熱製冷。日本川崎公司研究的這類轉動式磁製冷機需要的最大磁場強度為4.5T；旋轉速度為0.72r/min；製冷溫度達(4.2~11.5)K；製冷量為0.12w。
高溫磁製冷
溫度20K以上，特別是近室溫附近，磁性離子系統熱運動大大加強，順磁鹽中磁有序態難以形成，它在受外磁場作用前後造成的磁系統熵變大大減小，磁熱效應也大大減弱。所以，進入高溫區製冷，低溫磁製冷所採用的材料和循環都不適用。
圖2 高溫磁製冷循環的 圖
圖2示出金屬釓（Gd）在(200~300)K條件下的 圖。如圖若按卡諾循環製冷（圖中 ），則溫降很小。故這時應採用艾里克森循環（Ericsson），如圖中12341所示。它由四個過程組成：1－2為等溫磁化；2－3為等磁場過程（溫度降低）；3－4為等溫退磁（吸熱製冷）；4－1為等磁場過程（溫度上升）。

布朗用7T的磁場和金屬釓，按上述循環成功地從室溫製取到－30℃的低溫。布朗的實驗裝置如圖3所示。將金屬釓板（磁材料）浸在蓄冷筒的蓄冷液體（水+乙二醇溶液）中。利用磁場變化配合蓄冷筒上下運動實現循環。圖3中示出了一個周期的變化過程。經過多次反復，筒體上部達到323K；下部達到243K。
目前，力圖使高溫磁製冷實用公的研究包括以下主要方面：①尋找合適的磁材料（工質）。它應具有的特點是：離子磁矩大、居里點接近室溫、以較小磁場（例如1T）作用與除去作用時能夠引起足夠大的磁熵變（即磁熱效應顯著）。現已研製出一系列稀土化合物作磁製冷材料，如R-Al,R-Ni,R-Si等系列的物質（其中R代表稀元素），還有復合型磁製冷物質（由居里點不同的幾種材料組成）。②外磁場。需採用高磁通密度的永磁體。③研究最合適的磁循環並解決實現循環所涉及到的熱交換問題。