[科普中国]-磁热效应

磁热效应是指绝热过程中铁磁体或顺磁体的温度随磁场强度的改变而变化的现象。

在磁场作用下磁性材料所发生的温度变化，即磁性材料磁化强度的变化所伴随的温度变化。通常，在绝热条件下， 磁化会导致温度上升，而去磁则使温度下降。铁磁和顺磁材料的磁热效应特别大。

概念磁热效应是指在绝热条件下磁性物质被外磁场磁化时所发生的温度变化。但狭义地应用于铁磁物质时，磁热效应是指弱磁场或中等磁场磁化时因磁畴结构变化，伴随发生的温度变化，而磁致温差效应则指加强磁场时由于自发磁化强度被强制增大，伴生的温度变化。

磁化使磁性体内平行的元磁体(如自旋)数量增多。结果，交换作用能和外磁场中的静磁能降低. 由于磁化是在绝热条件下进行的，降低了的那部分能量必转化为元磁体的热能. 这些热能又通过元磁体与点阵的耦合(如自旋-点阵或轨道-点阵)使整个磁性体的温度上升。反之，绝热地撤去磁场，平行排列的元磁体的数量将突然减小，因而元磁体的热能减小，使磁性体变冷。1

在弱磁场和中等磁场下，磁化过程通常包含畴壁位移过程和转动过程，分别又有可逆过程和不可逆过程之分，情况相当复杂。所以，至今尚无完善的磁热效应理论来对实验结果作深入的定量分析。

原理对于顺磁介质,Ⅹ和K都是正数,磁介质的热容CH也是正数，故有

可见，绝热地减小磁场时，物质的温度将降低。这种现象叫做磁致冷效应。利用绝热去磁法获得低温，就是依据这一效应。因为在没有磁场时，各个磁活动性离子的角动量取向是混乱的,使得每摩尔分子的熵,除了点阵振动所引起的部分外，又增加了一部分。若将磁介质在温度保持一定的情况下放入强磁场中，磁场将使所有离子的角动量取能量较小的方向,因而减小了系统的熵,这时有热量ΔQ=ΔS ×T流出磁介质。若再绝热地慢慢减小磁场,使整个过程为可逆过程，则系统的总熵保持不变，但过程中各离子角动量取向引起的熵增加到原来的值，所以与点阵振动相联系的那部分熵必然减小，结果物质被冷却。绝热去磁法是现代得到低温的有效方法，可以得到约0.001K的低温。

物质的点阵振动和磁矩取向都对系统的熵有贡献，如先在等温情形下加外磁场，物质被磁化，分子磁矩趋向于一致的排列，对熵的贡献减小，系统放出热量；然后在绝热条件下撤去外磁场，磁矩恢复为无规排列，相应的熵增加，但由于是绝热去磁，系统的总熵不变，磁矩的熵的增加是以点阵振动的熵的减少作代价，这导致物质的冷却。绝热去磁与绝热去极化一样可用来获得低温。2

应用基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法。在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中。Gd5Ge2Si2是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人们很大兴趣。该化合物作为制冷物质有一个缺点：当在该材料表现出大的磁热效应的温度范围内循环其磁化时，它会因磁滞现象而损失大量能量。但是现在，研究人员找到了克服这一问题的一个简单方法。只是通过添加少量铁，就可将磁滞现象减少90%，所获得的合金成为一种性能得到很大改善的制冷物质，可在接近室温的环境下应用。

在日常生活中，我们通常使用空调、冰箱和冰柜来制冷，但它们都需要能量驱动，所消耗的电能占到美国家庭耗电量的1/3。而一项依赖于磁体的全新制冷技术，能显著降低这部分能耗。

大多数商业化制冷机，都是通过反复压缩和膨胀气体或液体制冷剂来制冷。随着制冷剂的循环，能将热量从房间或设备中吸出带走。然而，压缩机的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷气体泄漏出去的话，它们的每一个分子对大气层的加热效率要比一个二氧化碳分子至少高1 000倍。

美国宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人员正在研发一种不使用压缩机，而是基于磁体的新型制冷机。从某种程度上来说，所有磁性材料都会在被置入磁场后升温，在移出磁场后降温，这一特性被称为“磁致热效应”(magnetocaloric effect)。原子通过自身振动贮存能量；而当外加磁场将金属中的电子有序排列，并阻止它们自由移动时，金属原子的振动就会加强，温度随之增加。移除磁场后，温度则会降低。虽然这一效应早在1881年就被发现，但它的商用价值却一直被人忽视。这是因为，从理论上来说，只有在极低的温度下使用超导磁体，才能将这种效应最大化到产生可利用的效果。然而在1997年，美国能源部爱艾姆斯实验室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科学家偶然发现，一种由钆、硅和锗构成的合金能在室温下显示出巨大的磁致热效应。自那时起，美国宇航公司还陆续把注意力集中在具有同样性质的其他合金上。

目前，美国宇航公司正在设计一种空调，目标是为面积约100平方米的公寓或住宅制冷。这种空调里有一个小而平的、由某种此类合金制成的多孔楔形体构成的圆盘。在圆盘两侧，固定着一个环形永磁体。磁体中空，里面分布着强磁场。当圆盘旋转时，每一个磁致热楔形体会通过这个通道而升温，然后继续转出磁场范围而冷却。在系统内部循环的液体被这些旋转的楔形体反复加热和冷却，冷却后的液体就能从房间中吸走热量。精心设计的磁体能够防止磁场从设备中溢出，所以它不会影响到附近的电子仪器或人身上的心脏起搏器。

在传统制冷机中，核心部件是压缩机。而在磁体制冷机中，核心部件是带动圆盘旋转的马达，而马达通常要比压缩机的能量效率高得多。美国宇航公司的目标是在2013年制造出一台原型机，能在达到同样制冷能力的情况下将耗电量降低1/3。磁体制冷机还有一个额外的显著优点：它只是用水来输送热量，“你没法找到比水更环保的材料了，”美国宇航公司技术中心经理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)说。

但是别说把这项技术实际应用于冰箱和冰柜，即便是仅仅制作一台原型机，也需要跨过许多障碍。首先，如何控制水流通过多孔的楔形体就是个棘手的问题，因为圆盘要以每分钟360~600转的速度高速旋转。此外，磁体由一种昂贵的钕—铁—硼合金制成，因此，如果要想商业化生产，在仍能保持提供足够强磁场的前提下尽可能小型化也是必要的。正如加拿大维多利亚大学(University of Victoria)的机械工程师安德鲁·罗(Andrew Rowe)所说：“这是一项高风险技术，但它有巨大的应用潜力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。”

研究人员还在试验其他一些特殊制冷技术。美国Sheetak公司，正在研发一种完全不使用制冷剂的制冷设备，它依赖于一种所谓的“热电材料”(thermoelectric material)，基于帕尔特效应开发的热电半导体制冷芯片，接通直流电后，芯片的一面变冷，另一面变热。不管怎样，降低燃料消耗和减少温室气体排放总会为我们带来一个清凉的世界。3

磁卡效应磁卡效应（magnetocaloriceffect）顺磁与铁磁性物质在外磁场的作用下，磁矩由杂乱变为有序，原子磁矩之间及与外磁场之间的相互作用能降低，它的磁熵减小，排出熵的过程也就是放热的过程。反之，在取消磁场的过程中，磁性物质的磁矩由有序而变为杂乱，从外界吸收能量，磁熵增加，在系统绝热的情况下则磁性物质本身降温。这种由外磁场变化而引起磁性物质放热或吸热的现象称为磁卡效应。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)于1918年首先观察到， 当磁化场突然增大到0.8～1.6MA/m时，铁磁体 (Ni或Fe)的温度将上升1～2℃。磁卡效应产生的 原因是：设想当铁磁体被加热时，各个原子的自旋将吸收一部分热量使它们平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一强磁场使各个自旋平行排列的有序程度增加，则必然放出热量，因为是绝热过程，故磁体的温度上升。由于磁卡效应是通过自旋排列的有序程度变化而产生的，可知此效应在居里点附近最为显著，这是因为在居里点附近加一定磁场可使磁化强度有较大的增加。相反，如果在一定温度下 突然去掉外加的磁化场，将使磁体的温度下降。因 此利用这一效应可以实现磁致冷。4

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学