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強(qiáng)度的改變而變化的現(xiàn)象。絕熱去磁時要降溫，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)系其中是磁場強(qiáng)度H不變時單位體積的熱容，表示磁場強(qiáng)度H不變時磁化強(qiáng)度隨溫度的變化率。利用這個關(guān)系，并設(shè)磁介質(zhì)遵守居里定律可以得到關(guān)系。
對于順磁介質(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，絕熱地減小磁場時，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(zhì)在溫度保持一定的情況下放入強(qiáng)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(tǒng)的熵，這時有熱量ΔQ＝Δ/流出磁介質(zhì)。若再絕熱地慢慢減小磁場，使整個過程為可逆過程，則系統(tǒng)的總熵保持不變，但過程中各離子角動量取向引起的熵增加到原來的值，所以與點陣振動相聯(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)的點陣振動和磁矩取向都對系統(tǒng)的熵有貢獻(xiàn)，如先在等溫情形下加外磁場，物質(zhì)被磁化，分子磁矩趨向于一致的排列，對熵的貢獻(xiàn)減小，系統(tǒng)放出熱量；然后在絕熱條件下撤去外磁場，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陣振動的熵的減少作代價，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，施加和除去一個外加磁場時磁動量的排列和隨機(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)在上個世紀(jì)90年代后期被發(fā)現(xiàn)時曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質(zhì)有一個缺點：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，它會因磁滯現(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簡單方法。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)
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(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，所有磁性材料都會在被置入磁場后升溫，在移出磁場后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”(magnetocaloric effect)。原子通過自身振動貯存能量；而當(dāng)外加磁場將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動時，金屬原子的振動就會加強(qiáng)，溫度隨之增加。移除磁場后，溫度則會降低。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(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驗室(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)，固定著一個環(huán)形永磁體。磁體中空，里面分布著強(qiáng)磁場。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，每一個磁致熱楔形體會通過這個通道而升溫，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)出磁場范圍而冷卻。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)計的磁體能夠防止磁場從設(shè)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(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)還有一個額外的顯著優(yōu)點：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。
但是別說把這項技術(shù)實際應(yīng)用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺原型機(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棘手的問題，因為圓盤要以每分鐘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：“這是一項高風(fēng)險技術(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為我們帶來一個清涼的世界。
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