磁冷卻法
發(fā)布：2015-09-09 10:08 點(diǎn)擊：
又稱絕熱去磁，磁熱效應(yīng)。絕熱去磁是產(chǎn)生1K以下低溫的一個(gè)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(chǎng)的減小而下降。
將順磁體放在裝有低壓氦氣的容器內(nèi)，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(chǎng)（量級(jí)為10^6A/m）使順磁體磁化，磁化過程時(shí)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(zhǔn)靜態(tài)地使磁場(chǎng)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(yīng)可以產(chǎn)生1K以下至mK量級(jí)的低溫。例如從0.5K出發(fā)，使硝酸鈰鎂絕熱去磁可降溫到2mK。當(dāng)溫度降到mK量級(jí)時(shí)，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(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)等效的磁場(chǎng)（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(duì)于順磁介質(zhì),ⅹ和K都是正數(shù),磁介質(zhì)的熱容CH也是正數(shù)，故有
可見，絕熱地減小磁場(chǎng)時(shí)，物質(zhì)的溫度將降低。這種現(xiàn)象叫做磁致冷效應(yīng)。利用絕熱去磁法獲得低溫，就是依據(jù)這一效應(yīng)。因?yàn)樵跊]有磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)磁活動(dòng)性離子的角動(dòng)量取向是混亂的,使得每摩爾分子的熵,除了點(diǎn)陣振動(dòng)所引起的部分外，又增加了一部分。若將磁介質(zhì)在溫度保持一定的情況下放入強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)將使所有離子的角動(dòng)量取能量較小的方向,因而減小了系統(tǒng)的熵,這時(shí)有熱量ΔQ＝ΔS/T流出磁介質(zhì)。若再絕熱地慢慢減小磁場(chǎng),使整個(gè)過程為可逆過程，則系統(tǒng)的總熵保持不變，但過程中各離子角動(dòng)量取向引起的熵增加到原來的值，所以與點(diǎn)陣振動(dòng)相聯(lián)系的那部分熵必然減小，結(jié)果物質(zhì)被冷卻。絕熱去磁法是現(xiàn)代得到低溫的有效方法，可以得到約0.001K的低溫。
物質(zhì)的點(diǎn)陣振動(dòng)和磁矩取向都對(duì)系統(tǒng)的熵有貢獻(xiàn)，如先在等溫情形下加外磁場(chǎng)，物質(zhì)被磁化，分子磁矩趨向于一致的排列，對(duì)熵的貢獻(xiàn)減小，系統(tǒng)放出熱量；然后在絕熱條件下撤去外磁場(chǎng)，磁矩恢復(fù)為無規(guī)排列，相應(yīng)的熵增加，但由于是絕熱去磁，系統(tǒng)的總熵不變，磁矩的熵的增加是以點(diǎn)陣振動(dòng)的熵的減少作代價(jià)，這導(dǎo)致物質(zhì)的冷卻。絕熱去磁與絕熱去極化一樣可用來獲得低溫 。
應(yīng)用編輯
基于“磁熱效應(yīng)”（MCE）的磁制冷是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)制冷技術(shù)的一種有希望的替代方法。在有這種效應(yīng)的材料中，施加和除去一個(gè)外加磁場(chǎng)時(shí)磁動(dòng)量的排列和隨機(jī)化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環(huán)境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當(dāng)在上個(gè)世紀(jì)90年代后期被發(fā)現(xiàn)時(shí)曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質(zhì)有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)在該材料表現(xiàn)出大的磁熱效應(yīng)的溫度范圍內(nèi)循環(huán)其磁化時(shí)，它會(huì)因磁滯現(xiàn)象而損失大量能量。但是現(xiàn)在，研究人員找到了克服這一問題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法。只是通過添加少量鐵，就可將磁滯現(xiàn)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(zhì)，可在接近室溫的環(huán)境下應(yīng)用。
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