磁熵變測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

杜曉波，孫 昕，張志杰，劉春杰，顏明哲，袁艷春

（吉林大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，吉林長春130023）

1 引 言

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(duì)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(yīng).自從19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)磁熱效應(yīng)之后，科研工作者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究并成功應(yīng)用到低溫制冷技術(shù)領(lǐng)域.到目前為止，20K下的低溫磁致冷裝置在某些領(lǐng)域已實(shí)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(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，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(yīng)減弱，室溫磁制冷技術(shù)沒有得到應(yīng)用.磁致冷技術(shù)以磁性材料作為制冷工質(zhì)，無環(huán)境的污染和破壞，被認(rèn)為是取代氟利昂制冷的理想制冷技術(shù).此外磁制冷還有噪聲小、體積小、重量輕、易維護(hù)、高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn).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(yīng)材料（例如Gd5Ge2Si2）的出現(xiàn)，使室溫磁制冷技術(shù)的研究重新受到關(guān)注.為將室溫磁熵變引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，吉林大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心制作了一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)用磁熵變測(cè)量裝置，并在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中投入使用，教學(xué)效果良好.

2 磁熵及磁熵變測(cè)量方法

磁熵變是衡量磁制冷材料性能的重要指標(biāo)，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(cè)量方法是測(cè)量不同溫度的M（H）曲線，之后由M（H）曲線計(jì)算出磁熵變.將公式中的微分用泰勒級(jí)數(shù)展開，使用前差商近似來代替微分可得到近似計(jì)算公式：

3 磁熵變測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置介紹

圖1為磁熵變測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖.裝置包括磁場控制單元、溫度控制單元、磁矩磁場測(cè)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(cè)量線圈及磁場測(cè)量積分器、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制程序等.磁場在計(jì)算機(jī)控制下步進(jìn)掃描，最大磁場2T.標(biāo)定后，磁場測(cè)量線圈及積分器對(duì)磁場進(jìn)行測(cè)量.

2）溫度控制單元

溫度控制單元由半導(dǎo)體制冷和電阻加熱兩部分組成.半導(dǎo)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(dǎo)到半導(dǎo)體制冷片的冷端.關(guān)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(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

磁化強(qiáng)度M的測(cè)量用雙線圈（串聯(lián)反接）＋積分器的閉路測(cè)量方式，樣品加工成具有規(guī)則的幾何形狀（橫截面可以準(zhǔn)確計(jì)算），與電磁鐵極頭緊密接觸，避免了十分復(fù)雜和容易引起較大誤差的退磁因子修正問題.磁矩的標(biāo)定采用具有相同形狀的純金屬鎳.

由計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集和磁熵變的計(jì)算，并對(duì)磁場和溫度以及整個(gè)測(cè)試過程進(jìn)行自動(dòng)控制.

4 磁熵變測(cè)量

圖2為金屬釓（Gd）樣品在－6～50℃溫度范圍內(nèi)的等溫磁化曲線.由式（1）可計(jì)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(nèi)的等溫磁化曲線

圖3 金屬釓不同溫度下的磁熵變

5 結(jié)束語

室溫磁制冷技術(shù)以固體磁性材料作為制冷工質(zhì)，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(hù)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是取代氟利昂制冷的理想制冷技術(shù)，是當(dāng)前物理和材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題.磁工質(zhì)磁化與退磁狀態(tài)磁熵變化大小是決定磁制冷效率的關(guān)鍵.本實(shí)驗(yàn)裝置可以為學(xué)生開設(shè)磁熵測(cè)量方面的近代物理基本實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解磁熵的基本概念，掌握磁熵變測(cè)量及計(jì)算的基本方法，也可以結(jié)合材料制備方面的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生開展室溫磁制冷材料和磁制冷技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究.

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