1.2磁制冷的历史背景
磁制冷的研究早在十九世纪末就开始了,在1881年Warburg首先观察到了金属铁在外加磁场的热效应。等到了1907年Langevin也发现了在恒温绝热去磁的这一过程中,其温度会下降。而在1926年的时候,Debye和Giauque两人都预言可以用磁热效应来制冷,进而而极大的促进了磁制冷技术的进步发展。1993年Giauque等人以顺磁盐为工质成功获得了1K以下的超低温,从此,在超低温范围内,磁制冷发挥了很大的用处。一直到今天,这种超低温制冷技术已经很成熟了。使用核去磁最低可达到10-8K的极低温度,但这种磁制冷方式没有循环可言。而循环方式的磁制冷的要求很特殊,所以实现起来都非常的困难,从而导致磁制冷研究长期的裹足不前。
最后到了1976年的时候,美国的Brown首先采用了金属Gd作为磁制冷的介质,并采用Stiring循环,在7T磁场的环境下进行了室温磁制冷的试验,进而开创了室温磁制冷的新纪元。从此人们也开始靶目光转向高性能的室温磁制冷材料的研究。所以,现在人们对于磁制冷的研究主要集中在室温磁制冷材料的研究方面,而本实验也是主要研究磁制冷材料。
1.3磁制冷技术的基本原理
1.3.1 磁制冷的基本原理
磁制冷的实质就是运用了磁性材料的磁热效应。磁热效应的基本原理就是借助磁制冷材料在等温磁化时向外界放热,而在等温退磁时从外界吸收热量,进而达到了制冷的效果。
其磁制冷具体的原理如图1,首先是a—b过程中磁工质在外加磁场的作用下,其磁矩由无序变成有序,磁熵增大,向外界放热;b—c过程是磁工质的退磁过程,此时其磁矩由有序变成无序,磁熵减小,然后导致其从外界吸热。在整个过程中,磁工质向外界吸收的热量大于其向外界放出的热量,最终达到使外界温度降低。
1.3.2热力学基础[3]
热力学中,熵是微观粒子混乱程度的一个量度,因此磁熵也是磁性物质磁有序的量度。磁性材料就因有序度的改变而引起磁熵的改变,从而引起温度的改变。
熵是一个状态函数,对于一个封闭的系统,对熵的全微分就可表达为:
dS=(∂S/∂T)_(p,B) dT+(∂S/∂B)_(T,B) dp+(∂S/∂B)_(T,B) dB (1)
对于绝热等温过程,即dp=0;dp=0,上式中磁熵只依赖磁场的改变,因此可以把上式改写成:
dS=(〖∂S〗_m/∂B)_(T,B) dB (2)
在外加磁场B下的系统吉布斯自由能为:
G=U-TS+pV-MB (3)
其中温度T和压强p恒定,系统的体积V,磁化强度M,和熵S可以由吉布斯自由能的一阶导数而给出:
V(T,B,p)=[∂G/∂p]_(T,B) (4)
M(T,B,p)=〖-[∂G/∂B]〗_(T,p) (5)
S(T,B,p)=〖-[∂G/∂T]〗_(B,p) (6)
根据上式可得:
((〖∂S〗_m (T,B))/∂B)_(T,p)=(∂M(T,B)/∂T)_(B,p) (7)
∆S_m (T,∆B)=∫_(B_i)^(B_f)▒(∂M(T,B)/∂T)dB (8)