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磁制冷技术的研究及应用
要：随着环境和能源问题日益突出，磁制冷作为一种绿色制冷技术越来越受到各国重视。本文阐述了磁制冷技术的工作原理和典型的磁制冷循环过程。文章重点介绍了磁制冷材料和磁制冷样机的研究进展，并指出了磁制冷技术的几个应用方向及目前存在的困难。
关键词：磁热效应；磁制冷循环；磁制冷材料；磁制冷样机
Research and Application of Magnetic Refrigeration Technology
Abstract: With the environment and energy problems have become increasingly prominent, magnetic refrigeration as a green refrigeration technology draws more and more attention all over the world. In this paper, the operating principle of magnetic refrigeration and typical magnetic refrigeration cycles were illustrated. The research progress of magnetic refrigeration materials and magnetic refrigeration prototypes were emphatically introduced. Finally, several main application directions of magnetic refrigeration technology and the existing problems were pointed out.
Keywords: m magnetic magn magnetic refrigeration prototypes
制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。所谓环境介质通常指自然界的空气和水，为了使某物体或某空间达到并维持所需的低温，就得不断地从它们中间取出热量并转移到环境介质中去，这个不断地从被冷却物体取出并转移热量的过程就是制冷过程。制冷方法主要有三种：(1)利用气体膨胀产生冷效应制冷。这是目前广泛采用的制冷方法。(2)利用物质相变(如融化、液化、升华、磁相变)的吸热效应实现制冷。(3)利用半导体的温差电效应实现制冷[]。
目前，传统气体压缩制冷已经广泛应用于生产生活的各个方面，如家用电器、工业生产、地球物理探测、空间技术、超导体以及军事防卫等领域。但它存在两个明显的缺陷：制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。虽然采用无氟制冷剂基本上可以缓解对大气臭氧层的破坏，但仍保留了制冷效率低、能耗大的缺陷，而且有的还会产生温室效应等，不是根本解决办法。随着人们对效率和环保的要求越来越高，气体压缩制冷的低效率和危害环境这两个缺陷日益突出，国际社会也相应制定了相关协定来限制有害气体的排放。因此，研究开发新型制冷技术就显得尤为迫切且意义重大。目前，新型制冷技术有吸收式制冷、半导体制冷、涡旋制冷、磁制冷。吸收式制冷利用废热及其它能源，但制冷效率及热效率太低，使用范围受到限制：半导体制冷国内虽己有50L的产品，但因其电耗太大、制冷温跨不大而销路不畅；涡旋制冷仍属容积式压缩机之一，电耗、噪音与活塞式压缩机相近，难以在制冷领域占据主导地位[]。
相对于传统的气体压缩制冷方式，磁制冷具有许多优势：（1）高效节能，磁制冷的效率可达卡诺循环的 30～60％，而气体压缩制冷一般仅为5～10％；（2）绿色环保，由于制冷工质为固体材料以及在循环回路中可用水（加防冻剂）来作为传热介质，这消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏大气臭氧层、易泄露、易燃及地球温室效应等环境问题；（3）装置结构紧凑、振动及噪声小，磁制冷采用磁性材料作为制冷工质，其磁熵密度比气体大，因此制冷装置变得更紧凑，而且无需压缩机，运动件少、转速慢，振动及噪声小，可靠性高；（4）磁制冷采用电磁体或超导体以及永磁体提供所需的磁场，运动部件少且运行频率低，具有较高的可靠性和较长的使用寿命（5）；采用固体-流体换热技术，接触面积大，热量转移快而高效；（6）根据制冷温度和制冷量大小要求，可选用不同的制冷工质来满足，制冷温度跨区大，从极低温到室温都可实现[]。
磁制冷技术因具备上述明显的优势，具有广泛的应用前景，因而吸引了各国科研人员的广泛兴趣。
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铁磁性材料居里温度的测定
铁磁性物质的磁性随温度的变化而改变，当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由铁磁状态转变为顺磁状态，即失掉铁磁性物质的特征而转变顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以Tc表示。测量Tc不仅对磁性材料、磁性器件的研发、使用，而且对工程技术乃至家用电器的设计都具有重要的意义。 一、[实验目的]
1、初步了解铁磁物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理
2、学习使用JLD-Ⅱ型居里点测试仪测量居里温度的原理和方法
3、测定5个低温温敏磁环的居里温度 二、[仪器用具]
JLD-Ⅱ型居里点测试仪一套（主机一台，加温炉一台，样品5只）、J2458型教学示波器一台 三、[实验原理] 1、基本原理 在铁磁性物质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域，这个区域的体积约为10?6cm3，称之为磁畴。 在没有外磁场作用时，不同磁畴的取向各不相同，如图（1）所示。因此，对整个铁磁物质来说，任何宏观区域的平均磁矩为零，铁磁物质不显示磁性。当有外磁场作用时，不同磁畴的取向趋于外磁场的方向，任何宏观区域的平均磁矩不再为零，且随着外磁场的增大而增大。当外磁场增大到一定值时，所有磁畴沿着外磁场方向整齐排列，如图（2）所示，任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，铁磁物质显示出很强的磁性，我们说铁磁物质被磁化了，铁磁物质的磁导率?远远大于顺磁物质的磁导率，铁磁物质被磁化后具有很强的磁性，但这种磁性是与温度有关的，随着铁磁图（1） 物质温度的升高，金属点阵热运动加剧会影响磁畴磁矩的有序排列，但在未达到一定温度时，热运动不足以破坏磁畴磁矩基本的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍具有磁性，只是平均磁矩随温度升高而减小。而当与?T（?是波尔兹曼常数，T是绝对温度）成正比的热运动能足以破坏磁畴磁矩的整齐排列时，磁畴被外磁场方向 瓦解，平均磁矩降为零，铁磁物质的磁性消失而转变为顺磁物质，相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导图（2） 率。居里温度就是对应于这一转变时的温度。 对于铁磁物质来讲，由于有磁畴的存在，因此在外加的交变磁场的作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热一定的温度，由于金属点阵中的热运动的加剧，磁畴遭到破坏时，铁磁物质将转变为顺磁物质，磁滞现象消失，铁磁物质这一转变温度称为居里点。本居里点测试仪就是通过观察示波管上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。 2、测量装置及原理
（1）测量装置
由居里温度的定义知，要测定铁磁物质的居里温度，其测定装置必须具备四个功能：提供使样品磁化的磁场；改变铁磁物质温度的温控装置；判断铁磁性是否消失的判断装置；测量铁磁物质磁性消失时所对应温度的测温装置，以上四个功能由图（3）所示的系统装置实现。 加热炉 放大 x 数显温控器 温度传感器 积分 放大 变压器降压，整流滤波，稳压 正弦波发生器 B y x 220V y H 图（3）
（2）测量原理
给绕在待测磁环上的励磁线圈L1通一交变电流如图（4）所示，产生一交变磁场H，使铁磁物质――磁环往复磁化，样品中的磁感应强度B与H的关系B＝f（H）为磁滞回线（如图（5）所示）。由于H正比于i，i为通过L1的电流，因此，可以用i来代表H，为此在励磁电路中串接一个采样电阻R1，将其两端的电压讯号R1i经适当的调节后送至示波管的x偏转图（4） 0 B H板以表示H。B是通过副线圈L2中由于磁通量变化而产生的感应电动势?来测定的，其感应电动势为：
???d?d???S dtdt1?dt ?SR1 L1 L2 R2 C
式中的S为线圈的截面积，将上式积分得：
由此可见样品的磁感应强度与副线圈L2的感应电动势的积分成正比，为此将L2上的感应电动势经过R2和C的积分线路，从积分电容C上图（5） 取出B值，并加以放大后送至示波管的Y偏转板。从而在示波管上得到了样品的磁滞回线。当样品被加热到一定温度时，示波管上的磁滞回线消失，对于磁滞回线刚好消失的温度，即为该样品的居里温度――居里点。 四、[实验内容及方法] 1、定性测试
将加热炉的输入连线插头，插入JLD-Ⅱ型居里点测试仪主机箱后面板上对应的插座（注意！千万不要接入220V的市电），将铁磁材料样品与电源箱，用专用线连接，并把样品放入加热炉，将温度传感器、降温风扇的接插件与接在电源箱后面板上的四芯线上的接插件对应相接。
将B输出与Y输入，H输出与X输入用专用线相接，“升温――降温”开关打向“升温”，开启电源箱上的电源开关，并适当的调节Y、X，示波管上就显示出了磁滞回线。
关闭加热炉上的两风门（旋钮方向和加热炉的轴线方向垂直），将“测量――设置”开关打向“设置”，设定好炉温后，打向“测量”，加热炉工作，炉温逐渐升向设置的温度。
当炉温达到此样品的居里点时，磁滞回线消失成一条直线，记录下此时数显温度的温度表显示值――该样品的居里点。
打开加热炉上的两风门（风门旋钮方向和加热炉的轴线方向平行），把“升温――降温”开关打向降温，让加热炉降温后，换一样品重复上述过程，直到样品测完为止。 2、 定量测试
测量温度与感应电动势的关系，对应一个温度值，读出相应的感应电动势，测量感应电动势随温度变化的值，从而画出感应电动势――温度曲线。 实验数据列表
温 度 ℃ 感 应 电 压 （B值）mv 21
注：根据感应电动势随温度变化的快慢合理选择时间间隔。 实验数据处理 作感应电压――温度曲线图（见附图），在斜率最大处作切线，切线与横坐标的交点为所求的居里点Tc。 附图： H?T 三亿文库包含各类专业文献、行业资料、幼儿教育、小学教育、文学作品欣赏、各类资格考试、应用写作文书、高等教育、外语学习资料、铁磁性材料居里温度的测定23等内容。　
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在反铁磁性物质内部,相邻价电子的自旋趋于相反方向.这种物质的净磁矩为零,不会产生磁场.这种物质比较不常见,大多数反铁磁性物质只存在于低温状况.假设温度超过奈耳温度,则通常会变为具有顺磁性.例如,铬、锰、轻镧系元素等等,都具有反铁磁性.
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