杜曉波,孫 昕,張志杰,劉春杰,顏明哲,袁艷春
(吉林大學物理實驗教學中心,吉林長春130023)
給磁性材料系統(tǒng)施加磁場,磁性材料被磁化,磁有序度增加,磁熵減小,溫度升高,對外放出熱量;再將其去磁,磁有序度下降,磁熵增大,溫度降低,從外界吸收熱量,這就是磁熱效應.自從19世紀發(fā)現(xiàn)磁熱效應之后,科研工作者對其進行了大量的研究并成功應用到低溫制冷技術領域.到目前為止,20K下的低溫磁致冷裝置在某些領域已實用化.但在20K以上,特別是近室溫附近,低溫磁制冷采用的磁性離子系統(tǒng)熱運動加強,磁有序態(tài)難以形成,外磁場作用前后磁熵變減小,磁熱效應減弱,室溫磁制冷技術沒有得到應用.磁致冷技術以磁性材料作為制冷工質,無環(huán)境的污染和破壞,被認為是取代氟利昂制冷的理想制冷技術.此外磁制冷還有噪聲小、體積小、重量輕、易維護、高效節(jié)能的優(yōu)點.近年來由于環(huán)保的迫切需要以及一些具有較大的室溫磁熱效應材料(例如Gd5Ge2Si2)的出現(xiàn),使室溫磁制冷技術的研究重新受到關注.為將室溫磁熵變引入實驗教學,吉林大學物理實驗教學中心制作了一套實驗教學用磁熵變測量裝置,并在近代物理實驗教學中投入使用,教學效果良好.
磁熵變是衡量磁制冷材料性能的重要指標,它是指改變磁場后磁熵的變化值[1-3]
等溫過程中放出或吸收的熱量為
絕熱過程中溫度的變化為
磁熵測量方法是測量不同溫度的M(H)曲線,之后由M(H)曲線計算出磁熵變.將公式中的微分用泰勒級數(shù)展開,使用前差商近似來代替微分可得到近似計算公式:
圖1為磁熵變測量實驗裝置結構示意圖.裝置包括磁場控制單元、溫度控制單元、磁矩磁場測量單元等部分.
1)磁場控制單元
包括電磁鐵、電磁鐵電源、磁場測量線圈及磁場測量積分器、計算機和相應的控制程序等.磁場在計算機控制下步進掃描,最大磁場2T.標定后,磁場測量線圈及積分器對磁場進行測量.
2)溫度控制單元
溫度控制單元由半導體制冷和電阻加熱兩部分組成.半導體制冷片和樣品都固定在一塊紫銅板上,紫銅板將樣品中的熱量傳導到半導體制冷片的冷端.關閉電阻加熱,并用0℃的水(冰水混合物)冷卻制冷片熱端,可將樣品溫度控制在-10℃左右.開啟電阻加熱,可將樣品溫度控制在-10~60℃之間的任意溫度.電阻加熱由帶有PID功能的智能儀表控制,控制精度小于1℃.
圖1 實驗裝置結構示意圖
磁化強度M的測量用雙線圈(串聯(lián)反接)+積分器的閉路測量方式,樣品加工成具有規(guī)則的幾何形狀(橫截面可以準確計算),與電磁鐵極頭緊密接觸,避免了十分復雜和容易引起較大誤差的退磁因子修正問題.磁矩的標定采用具有相同形狀的純金屬鎳.
由計算機控制數(shù)據(jù)采集和磁熵變的計算,并對磁場和溫度以及整個測試過程進行自動控制.
圖2為金屬釓(Gd)樣品在-6~50℃溫度范圍內的等溫磁化曲線.由式(1)可計算出磁熵變隨著溫度的變化,如圖3所示.
圖2 釓在-6~50℃溫度范圍內的等溫磁化曲線
圖3 金屬釓不同溫度下的磁熵變
室溫磁制冷技術以固體磁性材料作為制冷工質,無環(huán)境的污染和破壞,還具有噪聲小、體積小、重量輕、易維護、高效節(jié)能等優(yōu)點,是取代氟利昂制冷的理想制冷技術,是當前物理和材料科學研究的熱點課題.磁工質磁化與退磁狀態(tài)磁熵變化大小是決定磁制冷效率的關鍵.本實驗裝置可以為學生開設磁熵測量方面的近代物理基本實驗,讓學生學習了解磁熵的基本概念,掌握磁熵變測量及計算的基本方法,也可以結合材料制備方面的實驗項目,讓學生開展室溫磁制冷材料和磁制冷技術的實驗研究.
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