磁制冷原理

磁制冷原理

磁制冷就是利用磁热效应，又称磁卡效应（MagnetoCaloric Effect,MCE ）的制冷。

1. 磁热效应

由磁性粒子构成的固体磁性物质，在受到外磁场的作用被磁化时，系统的磁有序度加强(磁熵减小)，对外要放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降(磁熵精品文档，超值下载

增大)，又要从外界吸收热量。这种磁性粒子系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为磁热效应。

图2．1[20]绘出了铁磁性材料在居里温度附近的磁热效应。图中实线代表不同磁场(H0=0，H1>0)下的总熵，水平箭头代表当磁场由H0变化到H1时的绝热温升ad T ∆，垂直箭头代表等温磁熵变M S ∆，它们分别用来表征材料的MCE 。点线代表晶格熵和电子熵的和；虚线代表两磁场下的磁熵。S0，T0分别为H0场下的熵和温度，S1，T1分别代表H1场下的熵和温度。

图2.1 磁热效应示意图

FIG.2.1 Figure of magnetocaloric effect

常压下，磁体的总熵(,)S T H 是磁场强度H 和绝对温度T 的函数，它是由磁熵(,)M S T H ，晶格熵(,)L S T H 和电子熵(,)E S T H 三部分组成的[20]，即：

(,)(,)(,)(,)M L E S T H S T H S T H S T H =++

其中磁熵(,)M S T H 是T 和H 的函数，因此当外加磁场发生变化时，只有磁熵随

之变化，(,)(,)L E S T H S T H 和是只随温度变化的函数，合起来称为温熵，则上式可写为：

T (,)(,)S T M S T H S T H =+（）

在绝热过程中，系统总熵变为零，即：

T (,)(,)S T M S T H S T H ∆=∆+∆（）=0

当绝热磁化时，工质内的分子磁矩将由混乱无序趋于沿外加磁场同向平行排列，此时度量无序度的磁熵减小，即(,)0S T H ∆，所以T S T ∆（）0故工质温度升高；绝热去磁时，情况恰好相反，使工质温度降低，从而可达到制冷目的。

2. 热力学原理

系统产量变化时内能的变化为：

PdV HdM TdS dU -+=0μ ⑴ 在忽略了体积效应后得到：

MdH SdT HM TS U d 00)(μμ--=-- ⑵ 由全微分关系得：

H T T

M H S )()(0∂∂=∂∂μ ⑶ 因此：在等温情况下外磁场的变化引起的磁熵变为：

dH T M S H H H f i ⎰⎪⎭⎫ ⎝

⎛∂∂=∆0μ 对于绝大多数材料，系统的体积效应是可以忽略的。 同样，在绝热情况下磁系统在外磁场发生变化时的温度变化为：

3.室温磁制冷原理

对于普通顺磁材料，只有在绝对零度附近才有较大的温度效应，物理上就是外场可以较容易就能克服热扰动使磁系统有序排列。而在室温下，热扰动上了两个数量级，因此所要求的外场也就相应增加到数百个特斯拉，用这么高的磁场来做室温磁制冷当然是不现实的。有一类磁性介质，由于电子的交换作用,其内部的分子场非常大，以至于在室温下就能自己克服热扰动而使磁体系有序排列。这类材料叫铁磁工质。利用居里点在室温附近的铁磁材料做室温磁制冷是物理要求。

H ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂M ∂-=∆T ⎰

d T C T H

H H H f i 0μ

在绝热情况下，这种铁磁材料在加上磁场时磁系统有序排列，温度升高；减场时磁系统变成无序排列，温度降低。通常，即使用上几个T的磁场，一次温度效应也就10K或者稍多，远不能直接用来制冷。因此，必须使用蓄冷（也称回热）的方法来累积这种磁热效应。利用这种磁热效应，通过AMR方式将加场时的热量带走，同时将减场时的冷量也积累起来就可以实现室温磁制冷。