磁熱效應(yīng)
磁熱效應(yīng)（漢語拼音：Cire Xiaoying；英語：magnetocaloric effect）是磁體隨磁場(chǎng)強(qiáng)度改變而變化的現(xiàn)象，絕熱過程中鐵磁體或順磁體的溫度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的改變而變化的現(xiàn)象。絕熱去磁時(shí)要降溫，又稱磁致冷效應(yīng)。
概念定義 編輯本段
磁熱效應(yīng)：magnetocaloric effect這一效應(yīng)的數(shù)學(xué)表示是，其中H是磁場(chǎng)強(qiáng)度，是磁介質(zhì)的熵，是熱力學(xué)溫度。用熱力學(xué)理論研究磁介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)，可以得到如下關(guān)系其中是磁場(chǎng)強(qiáng)度H不變時(shí)單位體積的熱容，表示磁場(chǎng)強(qiáng)度H不變時(shí)磁化強(qiáng)度隨溫度的變化率。利用這個(gè)關(guān)系，并設(shè)磁介質(zhì)遵守居里定律可以得到關(guān)系。
對(duì)于順磁介質(zhì),ⅹ和K都是正數(shù)，磁介質(zhì)的熱容H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＝Δ/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。
主要應(yīng)用 編輯本段
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。
家用電器磁體制冷機(jī)
在日常生活中，我們通常使用空調(diào)、冰箱和冰柜來制冷，但它們都需要能量驅(qū)動(dòng)，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項(xiàng)依賴于磁體的全新制冷技術(shù)，能顯著降低這部分能耗。
大多數(shù)商業(yè)化制冷機(jī)，都是通過反復(fù)壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設(shè)備中吸出帶走。然而，壓縮機(jī)的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個(gè)分子對(duì)大氣層的加熱效率要比一個(gè)二氧化碳分子至少高1 000倍。
美國宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人員正在研發(fā)一種不使用壓縮機(jī)，而是基于磁體的新型制冷機(jī)。從某種程度上來說，所有磁性材料都會(huì)在被置入磁場(chǎng)后升溫，在移出磁場(chǎng)后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”(magnetocaloric effect)。原子通過自身振動(dòng)貯存能量；而當(dāng)外加磁場(chǎng)將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動(dòng)時(shí)，金屬原子的振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，溫度隨之增加。移除磁場(chǎng)后，溫度則會(huì)降低。雖然這一效應(yīng)早在1881年就被發(fā)現(xiàn)，但它的商用價(jià)值卻一直被人忽視。這是因?yàn)椋瑥睦碚撋蟻碚f，只有在極低的溫度下使用超導(dǎo)磁體，才能將這種效應(yīng)最大化到產(chǎn)生可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛艾姆斯實(shí)驗(yàn)室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，一種由釓、硅和鍺構(gòu)成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應(yīng)。自那時(shí)起，美國宇航公司還陸續(xù)把注意力集中在具有同樣性質(zhì)的其他合金上。
目前，美國宇航公司正在設(shè)計(jì)一種空調(diào)，目標(biāo)是為面積約100平方米的公寓或住宅制冷。這種空調(diào)里有一個(gè)小而平的、由某種此類合金制成的多孔楔形體構(gòu)成的圓盤。在圓盤兩側(cè)，固定著一個(gè)環(huán)形永磁體。磁體中空，里面分布著強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)磁致熱楔形體會(huì)通過這個(gè)通道而升溫，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)出磁場(chǎng)范圍而冷卻。在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的液體被這些旋轉(zhuǎn)的楔形體反復(fù)加熱和冷卻，冷卻后的液體就能從房間中吸走熱量。精心設(shè)計(jì)的磁體能夠防止磁場(chǎng)從設(shè)備中溢出，所以它不會(huì)影響到附近的電子儀器或人身上的心臟起搏器。
在傳統(tǒng)制冷機(jī)中，核心部件是壓縮機(jī)。而在磁體制冷機(jī)中，核心部件是帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，而馬達(dá)通常要比壓縮機(jī)的能量效率高得多。美國宇航公司的目標(biāo)是在2013年制造出一臺(tái)原型機(jī)，能在達(dá)到同樣制冷能力的情況下將耗電量降低1/3。磁體制冷機(jī)還有一個(gè)額外的顯著優(yōu)點(diǎn)：它只是用水來輸送熱量，“你沒法找到比水更環(huán)保的材料了，”美國宇航公司技術(shù)中心經(jīng)理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)說。
但是別說把這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺(tái)原型機(jī)，也需要跨過許多障礙。首先，如何控制水流通過多孔的楔形體就是個(gè)棘手的問題，因?yàn)閳A盤要以每分鐘360~600轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)。此外，磁體由一種昂貴的釹—鐵—硼合金制成，因此，如果要想商業(yè)化生產(chǎn)，在仍能保持提供足夠強(qiáng)磁場(chǎng)的前提下盡可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學(xué)(University of Victoria)的機(jī)械工程師安德魯·羅(Andrew Rowe)所說：“這是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)，但它有巨大的應(yīng)用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。”
研究人員還在試驗(yàn)其他一些特殊制冷技術(shù)。美國Sheetak公司，正在研發(fā)一種完全不使用制冷劑的制冷設(shè)備，它依賴于一種所謂的“熱電材料”(thermoelectric material)，基于帕爾特效應(yīng)開發(fā)的熱電半導(dǎo)體制冷芯片，接通直流電后，芯片的一面變冷，另一面變熱。不管怎樣，降低燃料消耗和減少溫室氣體排放總會(huì)為我們帶來一個(gè)清涼的世界。
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