稀有金属 2005,(04),584-586+2-4 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.04.048
磁热效应的直接测量与测量仪器
金培育 刘金荣 徐来自 张久兴
摘 要:
探讨了磁热效应的两种测量方法———直接测量和间接测量, 阐述了这两种测量方法的特点。间接测量需要测量一系列等温磁化曲线和热容, 测量时间长, 费用昂贵;直接测量是测量样品的绝热温变, 简单、方便。研制了室温磁热效应直接测量仪, 该测量仪采用NdFeB永磁体作为磁场系统;用该仪器直接测量了室温磁致冷材料在不同温度下的绝热温变, 为研究室温磁致冷材料的磁热效应提供了一种简捷、方便的测量仪器。
关键词:
磁热效应 ;直接测量 ;测量仪器 ;
中图分类号: TM936
收稿日期: 2005-06-10
基金: 国家“十五”“863计划”资助项目 (2002AA324010);
Direct Measurement and Setup for Magnetocaloric Effect
Abstract:
The characteristics of the direct and indirectmeasurement methods for magnetocaloric effect were dis-cussed and compared.Theindirect measurement methodstake much more time , and costly, because a series ofmagnetization curves and specific heat should be mea-sured. And measuring the adiabatic temperature changeby direct measurement methods is more easy and conve-nient. So that , the direct measurement instrument wasdeveloped for magnetocaloric effect . NdFeB permanentmagnet was used as a magnetic field systeminthe devel-oped measurement instrument .The setup was applied tomeasure the adiabatic temperature change of Gd, Gd3Al2, Gd5Si2Ge2, etc .at different temperatures .Theresults showthat the developed direct measurement setupis simple and convenient for the magnetocaloric effectmeasurement of magnetic refrigeration materials .
Keyword:
<Keyword>magnetocaloric effect ;direct measurement ; measurement setup;
Received: 2005-06-10
磁致冷与传统的制冷技术相比有许多优点, 效率高、污染小、耗能低等。因此, 吸引了许多研究人员对该领域进行了大量的研究
[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ]
, 特别是对巨磁熵变材料Gd5 (Si2 Ge2 )
[1 ,2 ]
的研究发现, 该系列材料具有铁磁—铁磁的一级相变, 因此, 在室温区具有巨大的磁热效应, 超过金属Gd的顺磁-铁磁的二级相变。这种巨磁热效应是通过测量材料的磁化曲线以及比热, 由Maxwell关系式计算得到的, 一般称为间接测量, 但是, 该计算存在着一些争议
[6 ,7 ]
。为此, 本文研制了一种永磁式室温磁致冷材料磁热效应直接测量仪, 该仪器能够直接测量磁致冷材料在室温区的绝热温变。
1 磁热效应及测量方法
磁热效应 (MCE) 是磁性材料自身具有的一种特性, 材料在等温磁化时放热, 绝热退磁时吸热。其原理是通过一个外加磁场H使原子磁矩m的有序度发生改变, 磁熵S发生变化, 并伴随着温度T的改变。这样的系统可由系统的熵和吉布斯 (Gibbs) 自由能G来表述, 再经过一系列的物理推导得到如下公式:
熵变是个等温过程, 因此
在绝热过程 (dS=0) 中
由 (1) 式在恒磁场时可得
表征磁热效应主要有两个参数:等温磁化的熵变ΔSm 与绝热退磁的温变ΔTad 。这两个参数是可以通过测量材料的某些内禀参数再经过 (2~4) 式计算得到, 这种方法一般称为间接测量;也可以通过直接测量得到绝热温变ΔTad
[8 ]
。
间接测量是测量一系列不同温度的等温磁化/退磁曲线, 由 (2) 式计算得到ΔSm , 再测量相应的恒磁场下的比热, 由 (3) 式算得ΔTad 。由于在某一温度、不同磁场下的比热相差不大, 因此 (3) 式可改写为:
由不同温度和不同磁场下的比热, 由 (4) 式计算得到ΔSm 。为了得到不同温度下的熵变 (ΔSm -T曲线) 需要测量一系列间隔不能太大的等温磁化曲线;要得到不同温度下的温变 (ΔTad -T曲线) 还要测量恒磁场下的比热, 这需耗费大量的时间, 而且测量费用大。在计算ΔSm 时, 一般是通过拟合或将 (2) 式中的积分转化为求和
如果所测量的等温磁化曲线间隔大, 或所取的两个磁场Hi 数据及所对应的磁化强度Mi 数据的间隔大, 均对ΔS的结果产生较大的误差。
直接测量是测量样品的绝热温变ΔTad 。通过测量样品在磁场内的绝热温度T1 和磁场外的绝热温度T2 得到绝热温变ΔTad
这种方法简单、方便, 特别是该方法与磁工质在制冷机中的工作原理一致。其不足之处是由于测量的温度是材料的表观性质, 数据不能进一步处理。
直接测量仪器主要由磁场、样品室、驱动装置以及数据采集等部分组成。相对于被测试的样品, 磁场必须是可变化的, 因此, 一般用电磁场或电脉冲磁场作为磁场系统。
制冷能力是磁致冷材料实际应用的重要参数之一, 由 (8) 式定义
[8 ]
从上式得出, 材料的熵变ΔSm 大并不能说明这个材料的制冷能力一定就大, 还与该材料的温变ΔTad 成正比。而一般来说, 磁致冷材料的ΔSm 均很大, 但在低磁场 (1~2 T) 下ΔTad 却都很小。ΔTad 是材料的最直接的表观特性, 它与材料的热容成反比。因此, 只研究材料的熵变ΔSm 还不够, 在研究材料的磁热效应时, 测量材料的绝热退磁温变ΔTad 与等温退磁熵变ΔSm 同等重要, 甚至在实际应用中ΔTad 显得更为重要。
2 磁热效应直接测量仪器
图1是一种永磁磁热效应直接测量仪, 其测温范围在230~340 K, 该仪器采用聚磁技术用NdFeB永磁体组装了闭合的较高的永磁场 (1.3~2.0 T) 作为测量仪器的磁场系统, 其磁场空间可达到Υ30mm×100 mm, 磁场强度一致性较好, 如图2所示;用高灵敏铂电阻传感器测量磁致冷材料的温度变化, 由计算机采集样品的温度信号, 并控制整个测量过程, 最终将准确的温度值记录并进一步处理, 得到满意的数据。
该测量仪器磁场固定不动, 通过样品进出磁场内外, 测得样品在磁场内外的温度。其升温速率可调, 测量温度间隔可调, 最小温度间隔为0.5℃, 这在实际上比测量等温磁化曲线的温度间隔还小。而且测量时间短, 测量费用低, 测量数据可随时处理, 也可用其他软件再处理。测量一个样品在240~330 K的温区的ΔTad -T曲线只需要3 h左右。该测量仪器的主要误差是样品的绝热情况, 以及测量仪器的定标 (测量等温磁化曲线及比热同样存在此问题) , 由于样品不可能完全绝热, 造成测量数据偏低。图3是由该仪器测量的稀土金属Gd, Gd3 Al2 , Gd3 Al1.6 Ga0.4 的绝热温变ΔTad , Gd的ΔTad 与计算得到的结果相当。
图1 ΔΣad-T直接测量仪示意图
(1) 保温材料; (2) 控温系统; (3) NdFeB永磁磁场; (4) 样品室; (5) 样品及温度传感器; (6) 数据采集、处理系统
图2 磁场空间径向 (D) 磁场强度分布
图3 由直接测量仪器测量的金属Gd, Gd3Al2, Gd3Al1.6Ga0.4的绝热温变ΔTad
3 结论
直接测量绝热温变简单、方便、省时, 与材料的实际制冷机工作原理一致, 其误差接近材料的实际工作误差;用永磁磁场作为测量磁场与实际工作也一致, 因此, 直接测量室温磁致冷材料的绝热温变是准确可行的。
致谢:杨文志先生对论文的部分工作给予了帮助, 在此表示衷心的感谢。
参考文献
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