Магнитное охлаждение
Схема уровней атомов в кристаллах поможет нам разобраться в интересном методе охлаждения, который можно придумать, только хорошо зная квантовую механику.
При низких температурах прекращается почти всякое движение — поступательное, вращательное. Однако даже при температурах, меньших 1 К, спины атомов продолжают вести себя, как атомы идеального газа,- они обмениваются энергией (хотя и слабо), и их положение в пространстве (их проекции на направление магнитного поля) может изменяться почти свободно. В таких элементах, как редкоземельные, электроны заполняют внутренние оболочки атомов, и их спины почти не чувствуют других электронов. Следовательно, и магнитные моменты ведут себя, как свободные.
На этом свойстве электронов основан метод получения сверхнизких температур — магнитное охлаждение.
Если наложить на кристалл, в который входят атомы редкоземельных элементов, магнитное поле и позаботиться о том, чтобы кристалл не нагрелся (т. е. включать поле изотермически), то, как говорилось, спустя небольшое время все магнитные моменты (если они положительны, т. е. если g>0) установятся по полю, так сказать, стрелкой на юг. Здесь надо подчеркнуть, что после выключения поля кристалл со спиновой системой оказывается не в изотермических условиях, а в адиабатических, т. е. он теплоизолирован. Если теперь быстро выключить магнитное поле, то возникнет необычная картина. Поля нет, все спины направлены в одну сторону, а не разбросаны хаотически, как это должно было быть в тепловом равновесии. Правда, мы предположили, что, кроме движения спинов, в системе ничего не происходит (движением атомов, их колебаниями мы пренебрегли). Теперь надо уточнить картину. Атомы в кристаллической решетке на самом деле колеблются, так как решетка имеет некоторую температуру Т. Интенсивность колебаний и определяется этим значением T. Движение атомов передается и спинам, так как при движении зарядов возникает слабое переменное магнитное поле. Поэтому спины находятся не в полной изоляции, а в «термосе», имеющем температуру Т.
Когда с помощью внешнего магнитного поля все спины оказываются выстроенными в одном направлении, то возникает порядок, который не может сохраняться без поля. Спины должны изменять свое направление (в результате взаимодействия с колеблющимися атомами) и стремиться расположиться хаотически — так, чтобы любая из его проекций встречалась с одинаковой вероятностью. При таком процессе должен возникнуть обмен энергией между спинами и колебаниями атомов.
=В0)»>
Рис. 30. Адиабатическое размагничивание. Энтропия как функция температуры без поля (B=0) и в поле (В=В0)
Однако на первый взгляд трудно понять, в какую сторону будет передаваться энергия — будут ли колебания атомов усиливаться или же ослабляться.
Чтобы ответить на этот вопрос, надо привлечь на помощь энтропию. Энтропия спинов должна возрастать; это значит, что должен возникнуть поток тепла от решетки (колебаний атомов), которая находится в тепловом равновесии, к спинам: спины возвратятся в хаотическое состояние, а колебания атомов несколько затухнут.
Это означает, что кристалл охладился. Так следует из теории. На рис. 30 схематически изображено, как изменяются температура и энтропия в такой системе. Верхняя кривая описывает зависимость энтропии кристалла от температуры, когда величина поля равна нулю; нижняя кривая — ту же зависимость при включенном внешнем поле. Обе кривые сходятся к одной точке при T=0. Это есть следствие теоремы Нернста, о которой мы уже говорили. Если поле выключают быстро, так что энтропия кристалла не изменяется (это и называется адиабатическим размагничиванием), то температура падает, поскольку точки с одинаковым значением S лежат на разных кривых при разных Т. Опыты подтвердили предсказания. Можно ли было придумать такой способ охлаждения, если бы не знать тонкости теории?
Метод магнитного охлаждения был предложен в 1926 г. Джиоком в США и независимо (даже несколькими неделями раньше) Дебаем в Германии. Этим методом были достигнуты температуры примерно до 0,003 К. Более низких температур получить таким способом не удается, так как спины перестают двигаться свободно; их упорядоченность (все смотрят в одну сторону), возникающая из-за взаимодействия между ними (как между стрелками компасов, расположенных друг около друга), не разрушается слабым тепловым движением атомов.
Можно спуститься по температурной шкале еще ниже, если использовать очень большие магнитные поля — в несколько тесла. В таких полях можно ориентировать магнитные моменты ядер и повторять все описанные операции уже не с электронами, а с ядрами.
В 1956 г. Симон достиг таким способом температуру 0,000016 К. К сожалению, этот рекорд не вполне реален. Ядра очень слабо взаимодействуют с электронами (такое взаимодействие называют сверхтонким), и ядрам почти невозможно получить от решетки энтропию. Ядра на самом деле медленно нагреваются, а температура решетки не падает — решетка успевает восполнить потерянное тепло из окружающей среды (несмотря на всяческие ухищрения экспериментаторов). Путь в область милликельвинов (тысячных кельвина) казался закрытым. Как охладить до 0,001 К и ниже не иллюзорную систему спинов, а кусок вещества?
Оказалось, возможно и это!
Растворение соли понижает температуру раствора. Этот простой и хорошо известный эффект помог физикам. Оказалось, что если растворять газ гелий с атомной массой 3 ( 3 Не) в обычном жидком гелии, то температура раствора понижается. Так получают температуру до 0,001 К.
Но есть более хитрый способ; его придумал И. Я. Померанчук. Способ этот тоже связан с 3 Не.
Чтобы понять, в чем состоит этот метод, надо нарисовать кривые энтропии двух фаз 3 Не — твердого и жидкого-вблизи абсолютного нуля (рис. 31). Согласно квантовой механике, при абсолютном нуле все системы находятся в своем наинизшем состоянии и энтропия такого состояния равна нулю * — энергия же минимальная. При этом, что очень важно, энтропия обеих фаз (жидкости и твердого тела) при 0 одинакова, переход от одной фазы в другу происходит без изменения энтропии, без изменения энергии. Это свойство было постулировано Нернстом и является одной из формулировок третьего начала термодинамики.
* ( Точнее, она обращается в постоянную, одинаковую для обеих фаз. Сравнение абсолютных значений энтропии разных веществ, не превращающихся одно в другое, не имеет смысла.)
3 Не в жидкости и твердой фазе»>
Рис. 31. Энтропия 3 Не в жидкости и твердой фазе
Для метода Померанчука важно, что кривые расположены так, что при одной и той же температуре энтропия твердой фазы больше энтропии жидкой фазы. Если бы кривые расположились иначе, метода не существовало бы.
Суть метода можно понять на рис. 29. Если вести процесс охлаждения, адиабатически сжимая жидкость и переводя ее в твердую фазу, то, как это видно из рисунка, температура 3 Не будет понижаться. Так получена сейчас температура около 0,001 К. При 0,002 К жидкий 3 Не становится, подобно 4 Не, сверхтекучим, и в этой области сейчас открылся необычайно сложный и интересный мир физических явлений. Их описание, к сожалению, уже выходит за рамки нашей темы.
Внешне метод Померанчука похож магнитное охлаждение. В действительности эта аналогия даже более глубокая. Весь эффект связан с тем, что ядра 3 Не имеют спин (ядра обычного 3 Не спина не имеют). В жидком 3 Не спины при очень низких температурах упорядочиваются, выстраиваются параллельно друг другу, В твердом 3 He эти же спины «раскиданы» в беспорядке вплоть до температуры около 0,003 К. Переход из жидкого состояния в твердое похож поэтому на адиабатическое выключение магнитного поля (спины разбрасываются), а обратный переход — это намагничивание. Энтропия твердой фазы (при той же температуре) больше энтропии жидкости из-за спинов. Следует иметь в виду, что на самом деле картина расположения спинов в твердом 3 Не более сложная, но для объяснения эффекта достаточно описанной схемы.
Физика низких температур вступила сейчас в новую эпоху. Область милликельвинов сулит еще много сюрпризов.
Источник
General Eleсtric: магнитные холодильники вытеснят традиционные в ближайшие десять лет
12 февраля 2014
Компания GE анонсировала выпуск холодильных установок на основе магнитокалорического эффекта и показала опытную установку. В ней нет ни сжижаемых хладагентов, ни компрессоров. Отсутствуют даже термоэлектрические преобразователи (элементы Пельтье), столь популярные в автомобильных холодильниках, туристическом снаряжении и экзотических системах охлаждения компьютеров.
Конструкция магнитного холодильника довольно проста. Какой-либо объект (бутылка воды, радиатор чипа, воздух в камере) охлаждается, отдавая своё тепло металлическим пластинам. Они контактируют с теплоносителем, во внутренней структуре которого под действием магнитного поля происходят обратимые циклические изменения.
Для лабораторных исследований список веществ, подходящих на роль теплоносителя в магнитном холодильнике, исчисляется десятками. Он включает ферро-, антиферро- и ферримагенитки, но практически значимый магнитокалорический эффект сильнее всего выражен у некоторых парамагнетиков.
В зависимости от конкретной технической задачи основным теплоносителем может служить парамагнитный материал в различном агрегатном состоянии. Обычно удобнее использовать окись азота или алюминий.
Молекулы парамагнетиков полярные, то есть обладают магнитным моментом. В обычном состоянии они ориентированы беспорядочно из-за теплового движения. Во внешнем магнитном поле они стремятся расположиться в направлении магнитных линий. За счёт этого внутренняя структура парамагнетиков временно становится более упорядоченной. Происходит обратимое понижение энтропии, приводящее к снижению температуры.
Экспериментальная холодильная установка на основе магнитоэлектрического эффекта (фото: General Electric).
В экспериментах эффект хорошо наблюдается в адиабатических условиях, то есть при наличии теплоизолирующей оболочки вокруг парамагнетика. Если же её убрать, то обмен с окружающей средой приведёт к выравниванию температуры. Подвергаясь действию переменного магнитного поля, парамагнетики сначала аккумулируют тепло (понижая температуру воздуха и более нагретых тел вокруг себя), а затем отдают его на радиатор в следующем цикле. Далее, как и в любой холодильной установке, тепло уносится во внешнюю среду.
Системы охлаждения на основе магнитокалорического эффекта актуальны не только для бытового, но и для промышленного применения — в частности для создания надёжных и малозатратных систем охлаждения в серверных и дата-центрах. Ведущий автор исследования Венкат Венкатакришнан (Venkat Venkatakrishnan) высоко оценивает значимость этой работы. «Мы на пути к очередной революции в системах охлаждения», — пишет он в отчёте.
По оценкам GE, магнитокалорическое холодильное оборудование вытеснит компрессорное в течение ближайших десяти лет.
Идея создавать магнитные холодильные установки была предложена очень давно. Профессор Фрайбургского университета (Германия) Эмиль Габриель Варбург описал тепловые эффекты в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долгое время работа не находила применения, поскольку создаваемые установки отличались низкой производительностью.
Спустя столетие, в 1980-х, исследователи Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) смогли получить практически значимый магнитокалорический эффект при помощи дорогостоящего магнита со сверхпроводящей обмоткой.
Экономически целесообразными такие системы удалось сделать только недавно — за счёт применения новых материалов и подходов к реализации процесса теплообмена. Вместо создания переменного магнитного поля с помощью катушек индуктивности GE предлагает использовать вращение постоянных неодимовых магнитов.
Такой метод снижает затраты электроэнергии и позволяет создавать экономичные магнитные холодильники. По предварительным расчётам, их энергоэффективность превосходит традиционные системы охлаждения на 20%. Экспериментальная установка далека от показателей будущих серийных моделей, но уже легко превращает воду в лёд.
Источник
VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016
ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ МАГНИТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Практика эксплуатации классических парокомпрессионных холодильных установок выявила ряд серьезных недостатков: они используют газ фреон в качестве хладагента, который при попадании в атмосферу способствует разрушению озонового слоя и глобальному потеплению. Подобные устройства отличаются повышенным уровнем шума.
Альтернативой им могут стать холодильные установки, работающие по принципу адиабатического размагничивания, использующие твердый магнитный материал вместо жидкого или газообразного хладагента, что позволяет избежать использования экологически опасных веществ, а также снизить уровень шума благодаря небольшому количеству подвижных деталей. Использование твердого рабочего тела обусловлено наличием магнитокалорического эффекта, наиболее выраженного у парамагнитных материалов, позволяющего изменять температуру и энтропию этого материала в условиях воздействия внешнего магнитного поля, что аналогично циклам работы парокомпрессионного, но предоставляя возможность охлаждения материалов ниже 1° Кельвина, что близко к абсолютному температурному нулю.
Парамагнетизм.
Термин парамагнетизм ввел в использование Майкл Фарадей в 1845 году и разделил все вещества, за исключением ферромагнитных, на диамагнитные и парамагнитные. Парамагнетики обладают свойством намагничиваться во внешнем магнитном поле по направлению этого внешнего поля из-за наличия собственных постоянных магнитных моментов, которые в присутствии внешнего поля ориентируются по нему и создают собственное поле – результирующее, по силе превышающее внешнее.
Магнитный момент и спин.
При помещении рамки с током I в однородное магнитное поле с индукцией B, магнитное поле ориентирует рамку вокруг своей оси c моментом M, равным , где S – площадь рамки, α – угол между нормалью n к плоскости рамки и вектором B. Произведение I на S, являющееся магнитным вектором, будет стараться развернуть рамку в магнитном поле так, чтобы вектор индукции магнитного поля B был направлен вдоль магнитного вектора рамки.
У большей части элементов магнитный момент проявляется с присутствием атомов с незаполненной внутренней электронной оболочкой. Из-за этого они становятся обладателями суммарного момента количества движения и магнитного момента. К таким элементам относятся «переходные элементы» таблицы Менделеева: (хром, марганец, железо, никель, кобальт, палладий и платина), а также редкоземельные элементы.
В обычных условиях отсутствует упорядоченность в направлении магнитных моментов атомов из-за влияния теплового движения, однако, при помещении во внешнее однородное магнитное поле количество упорядоченных в направлении вектора индукции поля магнитных моментов увеличивается и происходит намагничивание материала.
Намагниченность можно записать как , где N – среднее число атомов в единице объема, а — средний магнитный момент.
Согласно классической теории парамагнетизма, для слабых магнитных полей намагниченность M параллельна индукции магнитного поля B и приближенно равна
Формула выше справедлива только при условии, что отношение много меньше единицы, тогда намагниченность или магнитный момент единицы объема будет пропорциональна магнитному полю. В этом и заключается суть явления парамагнетизма.
С точки же зрения квантовой механики, момент количества движения системы не может иметь произвольного направления, а его компоненты вдоль данной оси могут принимать только определенные дискретные эквидистантные значения. Это характерная особенность квантовой механики.
Ещё одной особенностью квантовой механики является то, что момент количества движения относительно любой оси равен целой или полуцелой доле , и каждая атомная система имеет собственный импульс квантовой природы, не связанный с перемещением частицы как целого — спин J, характеризующий положение частицы в пространстве. [1]
Спиновый момент количества движения атомного ядра определяется как векторная сумма спинов элементарных частиц, образующих квантовую систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. [2]
Так же, как и в классической теории, намагниченность M пропорциональна полю B. . Разница заключается лишь в отсутствии множителя 1/3.
Адиабатическое размагничивание и магнитокалорический эффект.
Данный метод используется для получения сверхнизких температур ниже 0,7K, что близко к абсолютному нулю, когда хаотичное тепловое движение частиц прекращается и они образуют упорядоченную структуру.
При включении или выключении внешнего магнитного поля магнетик может поглощать или выделять тепло в связи с обратимым изменением магнитной части энтропии , входящей в состав полной энтропии. Такое изменение носит название Магнитокалорического эффекта (МКЭ). В адиабатическом процессе изменение магнитного поля приводит к изменению температуры , причем при намагничивании полная энтропия S, равная сумме магнитной , структурной и электронной , не изменяется. Чтобы данное условие выполнялось, необходимо увеличение электронной и структурной энтропий, которое и приводит к увеличению температуры .
Принцип работы магнитного холодильника.
Бытовые холодильники, которые используют на кухне, охлаждают без остановки. Если положить что-нибудь теплое в такой холодильник, он немедленно начнет это охлаждать и все поглощенное тепло отводится в комнату, потому что, согласно первому началу термодинамики, тепло должно быть утилизировано и общий объем выбрасываемого тепла не так велик.
Холодильник же, основанный на технологии адиабатического размагничивания не работает безостановочно. Он хранит поглощенное тепло, нагреваясь, охлаждая теплые объекты и забирая тепло, попадающее внутрь. Часть магнитного холодильника, сохраняющая тепло, называется соляной таблеткой — это парамагнетик, в состав которого входят сплавы редкоземельных элементов. До сих пор применяется Гадолиний Gd в качестве рабочего тела, но одним из кандидатов для его замены являются сплавы Гейслера на основе Никеля, Марганца и Галлия, превосходящие Гадолиний по величине МКЭ.
Низкотемпературные магнитные холодильники не могут выбрасывать тепло в окружающий воздух, им нужен более холодный теплоотвод – ванна с жидким гелием с температурой 1.3К.
В парамагнетике каждая молекула представляет собой электромагнит, где электроны играют роль электрического тока. В непарамагнитных веществах поля всех электронов компенсируют друг друга, тем самым обуславливая отсутствие тока. В парамагнетиках же поля не до конца компенсируются, поэтому молекула вещества производит небольшое поле.
В магнитном холодильнике соляная таблетка играет роль группы микроскопических магнитов, собранных вместе, каждый из которых имеет свой магнитный момент, имеющий направление и показывающий силу каждого из магнитных полей. При наличии сильного магнитного поля магнитные моменты выстраиваются в линию.
Соляная таблетка может поглощать тепло благодаря особенностям молекулярных магнитных моментов. На микроскопическом уровне энергия тепла состоит из случайных молекулярных флуктуаций и при воздействии слабого магнитного поля, энергии флуктуаций достаточно для того, чтобы выбить молекулярный магнитный момент из согласования с воздействующим магнитным полем. Таким образом, энергия тепла превращается в магнитную энергию молекул. Со временем при поглощении тепла все большее число молекул рассогласовываются с полем и, в конце концов, соляная таблетка теряет возможность поглощать тепло, так как все спины рассогласованы.
После этого тепло должно быть отведено. Чтобы отвести тепло, необходимо усилить внешнее магнитное поле, что увеличит количество энергии, которым должны обладать молекулярные магнитные моменты, чтобы оставаться в рассогласовании с полем и когда поле становится достаточно сильно, молекулярные магнитные моменты отдают энергию и возвращаются в согласование с магнитным полем. Как только энергия отведена магнитными моментами, она превращается обратно в тепловую энергию. Из-за этого процесса температура соляной таблетки повышается. При повышении температуры происходит контакт с охладителем – жидким гелием и понижение температуры парамагнетика.
После отвода необходимого количества тепла, внешнее магнитное поле ослабляется и количество энергии необходимой для рассогласования магнитных моментов становится достаточно мало, чтобы тепловые флуктуации обладали достаточной энергией и молекулярные моменты вновь начали поглощать тепло и соляная таблетка охладилась, начиная новый цикл.
Преимущества и перспективы магнитных холодильников.
Магнитное охлаждение на 20-30 процентов энергетически эффективнее, чем парокомпрессионное охлаждение. Магнитные хладагенты твердые, поэтому опасные, озоноразрушающие и создающие парниковый эффект химикаты полностью устранены, что делает магнитное охлаждение экологически чистой технологией.
Магнитное охлаждение предполагает различные варианты исполнения холодильной машины: на постоянных магнитах и на сверхпроводящих магнитах, первые применимы в холодильниках с ограниченным диапазоном температур и небольшой мощностью, вторые — для охлаждения помещений, складов продуктов и работы установок большой мощности с широким диапазоном температур.[5.]
Гибкость конструкции предусматривает создание различных типов холодильников, в частности многоступенчатой холодильной установки, обладающей более широким диапазоном температур, меньшим весом и возможностью непрерывного охлаждения.
К недостаткам технологии следует отнести дороговизну материалов для создания магнитного поля, необходимость экранирования магнитов для препятствования влияния магнитных полей на оборудование, падение КПД во время отвода тепла охладителю, а также испарение охладителя (жидкого гелия) с течением времени.
Возможной сферой применения является использование на орбите в низкотемпературных рентгеновских и инфракрасных спектрометрах, работающих в данном диапазоне сверхнизких температур.
Для работы на Земле, первый прототип винного холодильника с использованием технологии магнитного охлаждения в концепте прототипа для домашнего использования предоставил консорциум компаний BAFS, Haier и Astronautics Corporation of America на CES2015.[6.]
Дальнейшее развитие магнитного охлаждения связано с нахождением соединений материалов с более высокой величиной магнитокалорического эффекта, подбором наиболее подходящей технологии экранирования магнитов, уменьшением веса конструкции и разработкой механического охладителя взамен жидкого гелия и одновременным удешевлением комплектующих.
Активные исследования в сфере криогеники и магнитного охлаждения ведутся преимущественно в западных лабораториях, таких как лаборатория Эймса (Министерство энергетики США), национальном аэрокосмическом агентстве США – НАСА, энергетических компаниях Японии, а также частных корпорациях, заинтересованных в развитии технологий охлаждения. В России исследования в области парамагнетизма и магнитного охлаждения ведутся на кафедре магнетизма физического факультета МГУ, однако создание собственной установки требует значительных финансовых вливаний и остается перспективным направлением для развития, требующим внимания коммерчески заинтересованных сторон.
1)Фейнмановские лекции по физике (The Feynman Lectures on Physics). М.: Мир, 1965—1967.
2) Сарычева Л.И. Физика фундаментальных взаимодействий М.: КДУ, 2008
Источник
