磁熱效應

磁熱效應是指絕熱過程中鐵磁體或順磁體的溫度隨磁場強度的改變而變化的現象。

在磁場作用下磁性材料所發生的溫度變化，即磁性材料磁化強度的變化所伴隨的溫度變化。通常，在絕熱條件下， 磁化會導致溫度上升，而去磁則使溫度下降。鐵磁和順磁材料的磁熱效應特別大。

基本介紹

• 中文名：磁熱效應
• 外文名：magnetocaloric effect
• 作用對象：鐵磁體或順磁體
• 開發前景：基於磁體的新型制冷機
• 過程·：絕熱過程
• 類似效應：磁卡效應

概念

磁熱效應是指在絕熱條件下磁性物質被外磁場磁化時所發生的溫度變化。但狹義地套用於鐵磁物質時，磁熱效應是指弱磁場或中等磁場磁化時因磁疇結構變化，伴隨發生的溫度變化，而磁致溫差效應則指加強磁場時由於自發磁化強度被強制增大，伴生的溫度變化。

磁化使磁性體內平行的元磁體(如自旋)數量增多。結果，交換作用能和外磁場中的靜磁能降低. 由於磁化是在絕熱條件下進行的，降低了的那部分能量必轉化為元磁體的熱能. 這些熱能又通過元磁體與點陣的耦合(如自旋-點陣或軌道-點陣)使整個磁性體的溫度上升。反之，絕熱地撤去磁場，平行排列的元磁體的數量將突然減小，因而元磁體的熱能減小，使磁性體變冷。

在弱磁場和中等磁場下，磁化過程通常包含疇壁位移過程和轉動過程，分別又有可逆過程和不可逆過程之分，情況相當複雜。所以，至今尚無完善的磁熱效應理論來對實驗結果作深入的定量分析。

原理

對於順磁介質,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繫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，分子磁矩趨向於一致的排列，對熵的貢獻減小，系統放出熱量；然後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，但由於是絕熱去磁，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。

套用

基於“磁熱效應”（MCE）的磁製冷是傳統的蒸汽循環製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年代後期被發現時曾引起人們很大興趣。該化合物作為製冷物質有一個缺點：當在該材料表現出大的磁熱效應的溫度範圍內循環其磁化時，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製冷物質，可在接近室溫的環境下套用。

家用電器磁體制冷機

在日常生活中，我們通常使用空調、冰櫃和冰櫃來製冷，但它們都需要能量驅動，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項依賴於磁體的全新製冷技術，能顯著降低這部分能耗。

大多數商業化制冷機，都是通過反覆壓縮和膨脹氣體或液體製冷劑來製冷。隨著製冷劑的循環，能將熱量從房間或設備中吸出帶走。然而，壓縮機的能耗巨大，並且要是最常用的那些製冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個分子對大氣層的加熱效率要比一個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一種不使用壓縮機，而是基於磁體的新型制冷機。從某種程度上來說，所有磁性材料都會在被置入磁場後升溫，在移出磁場後降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應”(magnetocaloric effect)。原子通過自身振動貯存能量；而當外加磁場將金屬中的電子有序排列，並阻止它們自由移動時，金屬原子的振動就會加強，溫度隨之增加。移除磁場後，溫度則會降低。雖然這一效應早在1881年就被發現，但它的商用價值卻一直被人忽視。這是因為，從理論上來說，只有在極低的溫度下使用超導磁體，才能將這種效應最大化到產生可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛艾姆斯實驗室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科學家偶然發現，一種由釓、矽和鍺構成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應。自那時起，美國宇航公司還陸續把注意力集中在具有同樣性質的其他合金上。

目前，美國宇航公司正在設計一種空調，目標是為面積約100平方米的公寓或住宅製冷。這種空調里有一個小而平的、由某種此類合金製成的多孔楔形體構成的圓盤。在圓盤兩側，固定著一個環形永磁體。磁體中空，裡面分布著強磁場。當圓盤旋轉時，每一個磁致熱楔形體會通過這個通道而升溫，然後繼續轉出磁場範圍而冷卻。在系統內部循環的液體被這些旋轉的楔形體反覆加熱和冷卻，冷卻後的液體就能從房間中吸走熱量。精心設計的磁體能夠防止磁場從設備中溢出，所以它不會影響到附近的電子儀器或人身上的心臟起搏器。

在傳統制冷機中，核心部件是壓縮機。而在磁體制冷機中，核心部件是帶動圓盤旋轉的馬達，而馬達通常要比壓縮機的能量效率高得多。美國宇航公司的目標是在2013年製造出一台原型機，能在達到同樣製冷能力的情況下將耗電量降低1/3。磁體制冷機還有一個額外的顯著優點：它只是用水來輸送熱量，“你沒法找到比水更環保的材料了，”美國宇航公司技術中心經理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)說。

但是別說把這項技術實際套用於冰櫃和冰櫃，即便是僅僅製作一台原型機，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棘手的問題，因為圓盤要以每分鐘360~600轉的速度高速旋轉。此外，磁體由一種昂貴的釹—鐵—硼合金製成，因此，如果要想商業化生產，在仍能保持提供足夠強磁場的前提下儘可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學(University of Victoria)的機械工程師安德魯·羅(Andrew Rowe)所說：“這是一項高風險技術，但它有巨大的套用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。”

研究人員還在試驗其他一些特殊製冷技術。美國Sheetak公司，正在研發一種完全不使用製冷劑的製冷設備，它依賴於一種所謂的“熱電材料”(thermoelectric material)，基於帕爾特效應開發的熱電半導體製冷晶片，接通直流電後，晶片的一面變冷，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為我們帶來一個清涼的世界。

磁卡效應

磁卡效應（magnetocaloriceffect）順磁與鐵磁性物質在外磁場的作用下，磁矩由雜亂變為有序，原子磁矩之間及與外磁場之間的相互作用能降低，它的磁熵減小，排出熵的過程也就是放熱的過程。反之，在取消磁場的過程中，磁性物質的磁矩由有序而變為雜亂，從外界吸收能量，磁熵增加，在系統絕熱的情況下則磁性物質本身降溫。這種由外磁場變化而引起磁性物質放熱或吸熱的現象稱為磁卡效應。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)於1918年首先觀察到， 當磁化場突然增大到0.8～1.6MA/m時，鐵磁體 (Ni或Fe)的溫度將上升1～2℃。磁卡效應產生的 原因是：構想當鐵磁體被加熱時，各個原子的自旋將吸收一部分熱量使它們平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一強磁場使各個自旋平行排列的有序程度增加，則必然放出熱量，因為是絕熱過程，故磁體的溫度上升。由於磁卡效應是通過自旋排列的有序程度變化而產生的，可知此效應在居里點附近最為顯著，這是因為在居里點附近加一定磁場可使磁化強度有較大的增加。相反，如果在一定溫度下 突然去掉外加的磁化場，將使磁體的溫度下降。因 此利用這一效應可以實現磁致冷。