Magnetokalorinen vaikutus

Magnetolämpöteho koostuu lämpötilan muutos magneettista materiaalia altistetaan ulkoisen magneettikentän. Tämä vaikutus esiintyy sekä metallimateriaaleissa että keramiikassa. Se löydettiin vuonna 1881 on rautaa , jonka saksalainen fyysikko Emil Warburg .

Intuitiivinen selitys

Jokaisella paramagneettisen elementin muodostavalla molekyylillä on oma magneettinen momenttinsa . Paramagneettisen tasapainotilalle on tunnusomaista energian vähimmäismäärä, joka vastaa näiden dipolien satunnaista järjestelyä. Siten soveltamalla riittävän voimakasta magneettikenttää dipolit pyrkivät kohdistumaan kentän kanssa. Tämän seurauksena on lisätä "järjestystä" materiaalissa ja vähentää siten sen magneettista entropiaa . Adiabaattisen prosessin tapauksessa tämä johtaa hilan entropian lisääntymiseen, mikä johtaa atomien sekoittumiseen ja materiaalin lämpötilan nousuun.

Vastaavasti, jos magneettikenttä pienenee, dipolien kohdakkain pitävä voima vähenee voimakkuudeltaan ja lisää siten järjestelmän vapausasteita . Dipolit palaavat sitten satunnaiseen järjestelyyn, joka minimoi järjestelmän energian. Tämän prosessin energia saadaan molekyylien termisestä sekoituksesta, mikä merkitsee lämpötilan laskua.

Adiabaattinen demagnetointi ja laskelmat

Jos materiaalin fysikaaliset ominaisuudet ovat tunnettuja, on mahdollista laskea lämpötila, jonka järjestelmä saavuttaa adiabaattisen demagnetoinnin jälkeen. Oletetaan, että tiedämme materiaalin Curie-vakion , sen entropiakapasiteetin, alkulämpötilan ja alkukentän. Oletetaan myös, että lopullinen kenttä on nolla. VS{\ displaystyle C}K{\ displaystyle K}Ti{\ displaystyle T_ {i}}Hi{\ displaystyle H_ {i}}

Aloitamme , missä ja , jossa on vakio. S˙=Minäs=-∂S∂M|TM˙-∂S∂T|MT˙{\ displaystyle {\ dot {S}} = I_ {s} = \ vasen. - {\ cfrac {\ osittainen S} {\ osittainen M}} \ oikea \ vert _ {T} {\ piste {M}} - \ vasen. {\ cfrac {\ osittainen S} {\ osittainen T}} \ oikea \ vert _ {M} {\ piste {T}}}∂S∂M|T=-μ0HT{\ displaystyle \ vasen. {\ cfrac {\ osittainen S} {\ osallinen M}} \ oikea \ vert _ {T} = - \ mu _ {0} {\ cfrac {H} {T}}}∂S∂T|M=ATT3{\ displaystyle \ left. {\ cfrac {\ partituali S} {\ osittainen T}} \ oikea \ vert _ {M} = {\ cfrac {A} {T ^ {3}}}}AT{\ displaystyle A}

Siten adiabaattista ja palautuvaa prosessia varten meillä on:

μ0VS MM˙-ATT3 T˙=0{\ displaystyle {\ cfrac {\ mu _ {0}} {C}} \ M {\ dot {M}} - {\ cfrac {A} {T ^ {3}}} \ {\ dot {T}} = 0}

Integroimalla tämä differentiaaliyhtälö saadaan:

μ0VS∫MiMfMdM=AT∫TiTfdTT3{\ displaystyle {\ cfrac {\ mu _ {0}} {C}} \ int _ {M {i}} ^ {M_ {f}} {MdM} = A \ int _ {T {i}} ^ { T_ {f}} {\ cfrac {dT} {T ^ {3}}}}

Mikä on ratkaisu, muistaa, että  : Mf=0{\ displaystyle M_ {f} = 0}

μ0VS Mi2=AT(1Tf2-1Ti2){\ displaystyle {\ cfrac {\ mu _ {0}} {C}} \ M_ {i} ^ {2} = A \ vasen ({\ cfrac {1} {T_ {f} ^ {2}}} - {\ cfrac {1} {T_ {i} ^ {2}}} \ oikea)}

Lopuksi, järjestämällä termit uudelleen ja käyttämällä relaatiota , voimme ilmaista lopullisen lämpötilan: MT=VSH{\ displaystyle MT = CH}

Tf=Ti ATμ0VSHi2+AT{\ displaystyle T_ {f} = T_ {i} \ {\ sqrt {\ cfrac {A} {\ mu _ {0} CH_ {i} ^ {2} + A}}}}

Esimerkki

"Kromikaliumaluna" on materiaali, joka on herkkä magneettikentän vaihteluille. Sillä on seuraavat ominaisuudet: K / mooli, JK / mooli. Lisäksi tiedämme . Ottaen sitten huomioon aineen moolin ja olettaen, että alkulämpötila on 1,0 K ja kenttä putoaa 2,0 A / m nollasta, voimme laskea pienimmän saavutettavan lämpötilan: VS=2,31⋅10-5{\ displaystyle C = 2,31 \ cdot 10 ^ {- 5}}AT=0,15{\ displaystyle A = 0,15}μ0=4π⋅10-7{\ displaystyle \ mu _ {0} = 4 \ pi \ cdot 10 ^ {- 7}}

Tf=1,0 0,154π⋅10-7⋅2,31⋅10-5⋅2,02+0,15=0,036 K{\ displaystyle T_ {f} = 1.0 \ {\ sqrt {\ cfrac {0.15} {4 \ pi \ cdot 10 ^ {- 7} \ cdot 2.31 \ cdot 10 ^ {- 5} \ cdot 2.0 ^ {2} + 0,15}}} = 0,036 \ K}

Sovellukset

Jo vuonna 1933 magneettijäähdytyksessä käytettiin kryogeenien magnetokalorista vaikutusta laskemaan lämpötiloihin, jotka olivat hyvin lähellä absoluuttista nollaa . Tietyt paramagneettiset seokset , joilla on jättiläinen magnetokalorinen vaikutus tietyissä lämpötiloissa, voivat saavuttaa erittäin matalat lämpötilat adiabaattisten demagnetointisarjojen seurauksena. Pääasiassa tämän tekniikan ansiosta fyysikot ovat onnistuneet saavuttamaan kaikkien aikojen alhaisimmat lämpötilat.

90-luvulta lähtien on tutkittu uusia materiaaleja, jotka mahdollistavat magnetokalorisen vaikutuksen soveltamisen jäähdytykseen huoneenlämpötilassa. Tämän tekniikan etuna on, että se ei vaadi ympäristölle vaarallisten kaasujen, erityisesti otsonikerroksen, käyttöä .

Katso myös

• Magneettinen jäähdytys
• Sähkökalorinen vaikutus
• Lämpösähköinen vaikutus
• Termoakustiikka

Ulkoiset linkit

• (en) NASA - Magnetokalorinen vaikutus

Lähteet

1. Zemansky & Dittman, Lämpö ja termodynamiikka , McGram-Hill Editions, 1981. ( ISBN  0070170592 ) .
2. Fuchs, Lämmön dynamiikka , Springer, 1996. ( ISBN  0387946039 )
3. Artikkeli: "Siirtymämetallipohjaiset magneettiset kylmäaineet huonelämpötilasovelluksiin", O. Tegus, KHJ Buschow, FR de Boer, E. BrÜck, Nature 415, 150-152 (10. tammikuuta 2002)

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">