劉忠深，特古斯

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010022；2.德惠市第八中學(xué)，吉林 德惠130323)

1 引 言

熱磁發(fā)電是直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)不僅可以利用工業(yè)的余熱發(fā)電，而且對(duì)探索新型發(fā)電技術(shù)具有非常重要意義.19世紀(jì)特斯拉和愛(ài)迪生都對(duì)熱磁發(fā)電進(jìn)行了研究，并且發(fā)明制造了自己的熱磁發(fā)電機(jī)模型.但是受到當(dāng)時(shí)發(fā)電磁性材料和驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的限制，未能將其應(yīng)用于實(shí)際.近年來(lái)，在磁熱效應(yīng)材料研究探索中，人們發(fā)現(xiàn)了MnFe(P，As)化合物具有巨磁熱效應(yīng)[1]，后來(lái)Cam Thanh等人[2]發(fā)現(xiàn)用Si替代As的MnFe(P，Si)系列化合物也具有較大的磁熱效應(yīng).筆者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)MnFe(P，Si)系列化合物符合磁熱發(fā)電條件，即該材料在居里溫度附近磁化強(qiáng)度發(fā)生巨變.本文主要報(bào)道了一級(jí)相變材料MnFe(P，Si)的熱磁發(fā)電性能，并介紹利用該材料的熱磁性能設(shè)計(jì)制作的熱磁發(fā)電演示裝置.

2 熱磁發(fā)電原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)閉合回路磁通量發(fā)生變化，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流.通常的發(fā)電機(jī)是通過(guò)磁場(chǎng)和線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，改變穿過(guò)線圈的磁通量，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流.熱磁發(fā)電中磁場(chǎng)和線圈都固定不動(dòng)，利用處于磁場(chǎng)中材料冷熱變化引起磁化強(qiáng)度M變化，使得通過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，在回路中產(chǎn)生交變感應(yīng)電流.熱磁發(fā)電材料受熱溫度升高，當(dāng)溫度高于居里溫度，磁通量減小，材料中電子自旋磁矩由原來(lái)的有序排列變得雜亂無(wú)章[3]，從鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)化為順磁態(tài)，磁化強(qiáng)度M瞬間減小到零.降溫時(shí)磁熱發(fā)電材料中電子自旋磁矩由雜亂無(wú)章排列變?yōu)橛行蚺帕?，?dāng)溫度低于居里溫度時(shí)，磁通量增加，從順磁態(tài)轉(zhuǎn)化為鐵磁態(tài)，磁化強(qiáng)度M瞬間由零增大到飽和值.熱磁發(fā)電演示儀線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用E[4]可表示為

式中，N為線圈匝數(shù)，Δφ為磁通量變化，Δt為磁通量變化所用時(shí)間.磁化強(qiáng)度M[5]可表示為

式中，n為磁性原子數(shù)，BJ(α)為布里淵函數(shù).當(dāng)線圈中放入質(zhì)量為m的磁熱發(fā)電材料產(chǎn)生的感應(yīng)電流為

式中，N為線圈匝數(shù)，S為線圈面積，ρ為磁性材料密度，R為總電阻，為磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化率.

3 結(jié)果與討論

3.1 MnFe(P，Si)化合物的制備

使用稱(chēng)重軟件按非化學(xué)計(jì)量比計(jì)算出總質(zhì)量為100g，4種單質(zhì)Mn，F(xiàn)e，P，Si各自的質(zhì)量，所用原料純度為99%以上.將所稱(chēng)原料放入球磨罐中，在真空手套箱中抽成真空充入氮?dú)獗Ｗo(hù)密封后，使用德國(guó)產(chǎn)高性能四星型球磨機(jī)(Pulverisette－5)球磨6h.再將100g樣品在10t壓力下等靜壓20min成形，然后放入退火爐中，在流動(dòng)氬氣保護(hù)下1373K的高溫?zé)Y(jié)2h后自然冷卻至室溫.經(jīng)X射線衍射檢測(cè)，樣品形成Fe2P－型六角結(jié)構(gòu)單相[6].

3.2 MnFe(P，Si)化合物的磁性

圖1為50mT磁場(chǎng)下Mn1.2Fe0.8P1－xSix化合物的M－T曲線圖.圖1顯示Mn1.2Fe0.8P1－xSix化合物升溫M－T曲線和降溫M－T曲線不重合，存在熱滯現(xiàn)象，說(shuō)明相變?yōu)橐患?jí)相變.根據(jù)M－T圖確定樣品的居里溫度TC，并列于表1中.居里溫度處于327～348K之間，跟工業(yè)余熱溫度接近，滿足熱磁發(fā)電的要求.

圖1 Mn1.2Fe0.8P1－xSix 化合物磁化強(qiáng)度M隨溫度T的變化

表1 Mn1.2Fe0.8P1－xSix 化合物的居里溫度及熱滯溫度

3.3 熱磁發(fā)電演示儀設(shè)計(jì)與制作

圖2為熱磁發(fā)電演示儀結(jié)構(gòu)原理圖.圖3為熱磁發(fā)電演示儀實(shí)物圖.演示儀由磁場(chǎng)系統(tǒng)、感應(yīng)線圈、熱磁發(fā)電材料、冷熱源、電流表等組成[7－8].具體如下：

1)磁場(chǎng)系統(tǒng)為包頭稀土研究院制作的釹鐵硼圓柱形永磁體磁場(chǎng)，長(zhǎng)度20cm，內(nèi)直徑9cm，外直徑20cm，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.8T，其作用是使磁熱發(fā)電材料達(dá)到飽和磁化.

2)冷源采用自來(lái)水.熱源采用家用熱水器，其最高溫度大約80℃.這個(gè)溫度與工業(yè)余熱溫度接近.利用數(shù)控電子開(kāi)關(guān)使冷水和熱水交替通過(guò)塑料管中的熱磁發(fā)電材料，材料冷熱發(fā)生周期性變化.

3)感應(yīng)線圈為自制，線圈匝數(shù)為2000，電阻為218Ω.用微安表測(cè)量線圈中的感應(yīng)電流.線圈平面要垂直磁場(chǎng)方向放置.

4)熱磁發(fā)電材料.用線切割機(jī)將材料切成1.5mm厚的薄片，用防水膠粘成層狀結(jié)構(gòu)中間并留有空隙，以提高其與水接觸面，加快熱交換速度.使材料瞬間受冷、受熱.粘好熱磁發(fā)電材料封入塑料管.

圖2 熱磁發(fā)電演示儀原理圖

圖3 熱磁發(fā)電演示儀實(shí)物圖

當(dāng)線圈匝數(shù)N＝2000，外磁場(chǎng)μ0H＝0.8T，熱水溫度t＝80℃，冷水溫度t＝20℃時(shí)，配比為Mn1.2Fe0.8P0.37Si0.63樣品質(zhì)量分別為 100，150，200g，測(cè)得最大電流分別為9，14，32μA.感應(yīng)電流隨樣品質(zhì)量m增加而增大.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了簡(jiǎn)易熱磁發(fā)電演示裝置，演示了MnFe(P，Si)化合物的熱磁發(fā)電性能.實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)處于磁場(chǎng)中熱磁材料冷熱變化，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能是可行的.盡管該項(xiàng)研究還處于初步階段，但本文的工作對(duì)利用工業(yè)余熱和太陽(yáng)能發(fā)電具有意義.

[1]Tegus O，Brück E，Buschow K H J，et al.Transition－metal－based magnetic refrigerants for roomtemperature applications[J].Nature，2002，415：150－152.

[2]Cam Thanh D T，Brück E，Trung N T，et al.Structure，magnetism and magnetocaloric properties of MnFeP1－xSixcompounds[J].Appl.Phys.，2008，103：07B318－3.

[3]杜曉波，孫昕，張志杰，等.磁熵變測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012，32(12)：27－28.

[4]李莉君，倪凱，熊永紅.電磁感應(yīng)與磁懸浮實(shí)驗(yàn)研究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2013，33(1)：30－31.

[5]戴道生，錢(qián)昆明.鐵磁學(xué)(上冊(cè))[M].北京：科學(xué)出版社，1987：50－52.

[6]哈斯朝魯，宋志強(qiáng)，劉雨江，等.Mn1.28Fe0.67P1－xSix化合物的磁熱效應(yīng)[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)漢文版，2012，41(1)：42－45.

[7]畢力格，特古斯，伊日勒?qǐng)D，等.一級(jí)相變材料Mn1.2Fe0.8P0.4Si0.6熱磁發(fā)電性能[J].物理學(xué)報(bào)：2012，61(7)：077103－1－077103－4.

[8]Solomon D.Improving the performance of thermomagnetic generator by cycling the magnetic field[J].Appl.Phys.，1988，63(3)：915.

[9]Tesla N.Pyromagneto－electric generator[P].U.S.Patent，No.428057(1890).