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        磁冷卻法

        發布:2015-09-09 10:08      點擊:
        又稱絕熱去磁,磁熱效應。絕熱去磁是產生1K以下低溫的一個有效方法,即磁冷卻法。這是1926年德拜提出來的。在絕熱過程中順磁固體的溫度隨磁場的減小而下降。
        將順磁體放在裝有低壓氦氣的容器內,通過低壓氦氣與液氦的接觸而保持在1K左右的低溫,加上磁場(量級為10^6A/m)使順磁體磁化,磁化過程時放出的熱量由液氦吸收,從而保證磁化過程是等溫的。順磁體磁化后,抽出低壓氦氣而使順磁體絕熱,然后準靜態地使磁場減小到很小的值(一般為零)。
        利用固體中的順磁離子的絕熱去磁效應可以產生1K以下至mK量級的低溫。例如從0.5K出發,使硝酸鈰鎂絕熱去磁可降溫到2mK。當溫度降到mK量級時,順磁離子磁矩間的相互作用便不能忽略。磁矩間的相互作用相當于產生一個等效的磁場(大小約10^4~10^3A/m),使磁矩的分布有序化,這方法便不再有效。
        核磁矩的大小約為原子磁矩的1/2000。因此核磁矩間的相互作用較順磁離子間的相互作用要弱的多,利用核絕熱去磁可以獲得更低的溫度
         

        原理編輯

        對于順磁介質,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,分子磁矩趨向于一致的排列,對熵的貢獻減小,系統放出熱量;然后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,但由于是絕熱去磁,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 。
         

        應用編輯

        基于“磁熱效應”(MCE)的磁制冷是傳統的蒸汽循環制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年代后期被發現時曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質有一個缺點: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制冷物質,可在接近室溫的環境下應用。
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