МАГНИ́ТНОЕ ОХЛАЖДЕ́НИЕ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
МАГНИ́ТНОЕ ОХЛАЖДЕ́НИЕ, метод охлаждения, основанный на использовании магнитокалорического эффекта, благодаря которому магнитный материал при намагничивании в адиабатич. условиях изменяет свою темп-ру. Так, напр., ферромагнетики и парамагнетики нагреваются при намагничивании и охлаждаются при размагничивании. Изначально М. о. как метод получения низких и сверхнизких температур (1–0,01 К) путём адиабатич. размагничивания парамагнитных солей был предложен П. Дебаем (1926) и У. Ф. Джиоком (1927). Соль, содержащую магнитные ионы с большим магнитным моментом (как правило, редкоземельных металлов), намагничивали при относительно высокой темп-ре, затем её охлаждали до минимально возможной темп-ры, после чего магнитное поле выключали. В результате затрат тепловой энергии на разориентацию магнитных моментов ионов соль охлаждалась, что позволяло получать темп-ры, близкие к абсолютному нулю. Использование парамагнитных свойств ядер даёт возможность получать темп-ры порядка 10–6 К.
Во 2-й пол. 20 – нач. 21 вв. была теоретически рассмотрена и экспериментально продемонстрирована возможность использования М. о. не только в области криогенных температур, но и при значительно более высоких темп-рах, вплоть до комнатных и выше. Используя магнитный материал в качестве рабочего тела, а также циклы намагничивания – размагничивания (магнитные тепловые циклы) с соответствующим отводом теплоты на разных стадиях цикла, можно организовать работу магнитного холодильника, аналогично тому, как организована работа традиц. холодильника, принцип действия которого основан на применении циклов сжатия – расширения и испарения – конденсации газов. Принцип действия магнитного холодильника основан на изменении энтропии магнитного материала под действием магнитного поля. На рис. приведены зависимости полной энтропии S ферромагнитного материала от темп-ры T в магнитном поле (Н ≠ 0) и в отсутствие магнитного поля (Н = 0). Абсолютная величина изменения магнитной части энтропии ΔSм(Т) = S(H) - S(0) достигает своего максимума в области темп-ры Кюри и невелика вдали от этой темп-ры. Магнитный Карно цикл, осуществляемый от темп-ры Тх (темп-ра охлаждаемой нагрузки) до темп-ры Tг (темп-ра горячего теплообменника), представлен четырёхугольником ABCD. За один цикл от нагрузки поглощается (при размагничивании) количество теплоты, равное ΔSмTх, где ΔSм = S2 - S1, и отводится в теплообменник (при намагничивании) количество теплоты, равное ΔSмTг, на что затрачивается работа, равная ΔSм·(Tг - Tх). Рабочий интервал температур холодильника, работающего по этому циклу (Tг - Тх), ограничен уменьшением величины ΔSм при удалении от Кюри точки, приводящим к уменьшению его эффективности.
В простейшем случае полную энтропию магнитного материала можно рассматривать как сумму энтропий, одна из которых связана с магнитной подсистемой материала, а другая – с его кристаллич. решёткой. При увеличении темп-ры решёточный вклад в энтропию быстро возрастает, что приводит к уменьшению эффективности магнитного цикла Карно (прямоугольник abcd на рис.). Поэтому магнитный цикл Карно применяется при темп-рах, не превышающих 20 К. Адиабатич. размагничивание можно отнести к типу М. о., в котором используют магнитный цикл Карно. При более высоких темп-рах применяются магнитные циклы Эриксона и Брайтона, представленные на рис. фигурами AFCE (намагничивание осуществляется изотермически) и AGCI (намагничивание осуществляется адиабатически), а также активный магнитный цикл охлаждения, в котором магнитный материал используется не только как холодильный агент, но и как регенератор, т. е. этот цикл является регенеративным циклом.
По сравнению с традиц. холодильниками магнитные холодильники характеризуются рядом преимуществ. Прежде всего эти преимущества обусловлены гораздо более высокой плотностью рабочего тела в случае магнитного холодильника, в котором используется твёрдый материал в отличие от газа в традиц. холодильниках. Кроме того, магнитные холодильники не нуждаются в компрессорах, могут работать при более низких частотах, что уменьшает их износ, и теоретически характеризуются гораздо большей суммарной эффективностью, компактностью и энергосбережением, чем парогазовые аналоги. В кон. 20 – нач. 21 вв. создан целый ряд работающих лабораторных образцов магнитных холодильников.