磁制冷

制冷技术的基本原理是在外界提供能源的条件下，制冷机从低温区吸取热量并向高温区释放热量。目前流行的电冰箱大多采用气体（如氟里昂）做工质，利用压缩—循环方法，借助正焦耳—汤姆逊效应（气体节流膨胀时温度降低）来获得低温。但是，用氟制冷剂不仅会造成大气污染，引起“室温效应”，而且会破坏用以过滤紫外线，保护地面生物的高空臭氧层。出于对环境保护的考虑，联合国环境规划署已组织80个国家签署了一项协议，规定2000年为使用氟制冷剂的最终年限。但的，用这种方法获取低温，实际上有一个最低的年度，因为气体的蒸发速度随着温度的下降而变慢，最后将慢到只能带走漏进仪器（如冰箱）内部的热量，这时便不能再继续进行冷却了。而采用磁性材料做工质，通过绝热退方法获取低温的磁冰箱，可以不受这一限制，获得足够的低温。早在1918年魏斯（Weiss）发现铁磁体绝热磁化会伴随着可逆的温度改变，称为磁热长罗利效应(Magneto ColoricEffect)。利用这种效应可以获得低温。1926年德拜（Debye）等人提出利用绝热退磁降温方法获取低温。1933年焦克(Giangue)等人，采用磁性材料做为工质，用等温磁化和绝热退磁方法获得1K以下的低温。

—. 磁致冷的物理原理

磁致冷的基本原理是借助磁性材料的磁热效应，等温磁化时向外界放出热量，绝热退磁时温度（冷却），并从外界吸取热量。下面说明这一原理。

在磁场作用下的磁性材料，实际上是一个热力学系统，一个无限小状态变化的可逆过程，满足热力学二定律，即

(1)

其中，是系统内能的变化，是系统吸收的热量（是系统

内能的变化）

是外力对系统做的功，

右边第一项是使系统磁化的功；第二项是机械功。忽略故态磁性材料体积的微小变化（1）式写成

(2)

考虑到内能U是绝对温度T和磁化强度M的函数，则有

(3)

对顺磁介质内能U只是温度T的函数即（）T=0，（3）式成

(4)

其中称为磁化热容量，是正数。上式是顺磁质磁化效应的热力

学方程。

等温磁化过程， ,(4)式变成因为 ,

所以,系统放出热量。

绝热退磁过程 ,(4)式变成因为

,, 所以系统降温变冷。

对磁性材料反复进行等温磁化和绝热退磁就可以获得低温，实现磁致冷。实际上，等温磁化时，磁性离子在外磁场作用下，磁矩规则排列，无序度减小，这意味着有热量从磁性材料流出；而绝热退磁时，磁性离子的磁短杂乱取向，无序度增大，但整个系统的熵保持不变，故点阵振动的熵必然减小，即必有热量从点阵振动流出，结果磁性材料被冷却。

二. 磁冰箱的结构、工作原理

根据上述物理原理，人们制造出磁冰箱的原型机，图18—1

是它的结构原理示意图。在圆环A内充满加工成珠状的磁性材料，当环A

绕轴旋转时，磁性材料便周期性地从磁极为N、S的强磁场高温区B运动到无磁场低温区D。在高温区B时，磁性材料被等温磁化，释放出来的热量由该区E吸收（通常可用低压蒸发的液氦吸收热量）。当磁化了的磁性材料绝热地离开高温磁场区B时，由于绝热退磁，温度下降，并在到达低温无磁场区D时，与该区进行热交换，吸收该区F中的热量，使低温区温度降低。A环不断旋转磁材料便不断地从低温区吸收热量并向高温区释放热量，使低温区温度进一步下降，达到制冷的目的。

三. 磁致冷的优点、形状与前景

与压缩循环制冷相比，磁致冷有许多优点。首先，磁致冷的效率高，可获得足够的低温。法国制成的原型机，热动力循环效力达60%，为普通电冰箱的1.5倍。估计在特定条件下，可达2~4倍。由于磁致冷不受低温时气体蒸发减慢的限制，可获得足够的低温。对磁性材料进行退磁已获得0.001K的低温1956

年利用核的绝热退磁达到 K的极地温。其次，磁致冷机由于不需要在高温下进行的压缩机，又用固体材料做工质，因而具有结构简单、体积小、重量轻、无噪音、便于维修和无污染等优点。

由于磁致冷有许多优点，很快就受到人们的重视，在低温磁致冷研究方面取得较显著的成果。至于高温磁致冷，由于电子自旋热骚动很大，必须用强磁场，受到一定限制。1976年布朗（Brown）用钆（Gd）做制冷剂，在室温附近做致冷实验，实验表明，制成室温磁致冷机是可能的据报道，法、美、英、日已设计制造了磁冰箱的原型机，1982年美国已制成室温附近（248K~328K）温差⊿T=80K 的磁致冷机。法国Grenotle?中心、日本东芝和日立公司都制成了磁致冷洋机，可望磁冰箱投放市场为期不远了