磁热效应及磁制冷材料的研究现状

    1 磁热效应(Magnetocaloric effect,MCE)及其测量

    1.1 磁热效应的基本理论

    绝热温度变化(ΔTad)是由于磁性材料在变化的磁场中升温或降温的一种物理现象。图1所示是铁磁体在其居里点处MCE的热动力学。常压下的磁体的熵S(T,H)是磁场强度(H)和绝对温度(T)的函数,它是磁熵SM,晶格熵SL及电子熵SE的和,即:

S(T,H) =SM(T,H)+SL(T)+SE(T) (1)

    一个铁磁材料熵是在两个常磁场下(零磁场H0和非零磁场H1)相应的磁熵和非磁熵项的和。当在绝热状态下(即系统中的总熵在磁场变化时保持不变)施加的磁场由H0变化到H1时,可以观察到MCE现象(即绝热温度上升ΔTad=TF-T0)。在图1中的水平箭头表示为在相应的S(T)H时温度的变化ΔTad。MCE的值也可表达为等热磁熵变化,ΔSM=SF-S0。在这种情况下,等于等温状态下相应的S(T)H的变化ΔSM,如图1中垂直的箭头。因此,可以用ΔTad和ΔSM的量表达了磁热的特性。ΔTad和$SM均是原始温度T0(即磁场转变前的温度)和磁场变化(ΔH=H1-H0)的函数。从图1中可以看到,如果磁场强度增加,磁序也增加(即磁熵减小),那么ΔTad(T,ΔH)为正,磁体升温。反之,磁体降温。

    ΔTad和ΔSM与磁化强度M,磁场强度H,常压热容C和绝对温度T有关。可以用Maxwell关系式表达:

    对一个等热等压过程,积分后得:

    对一个绝热等压过程绝热温度上升的微小量等于:

    这样,绝热温度上升直接正比于绝对温度,正比于磁化强度对温度的微分和磁场的变化,反比于热容。将式(4)积分得:

    1.2 磁热作用的测量

    1.2.1 直接测量法 其原理是在磁场分别为H0和HF时,测定相应的试样温度T0和TF。这样ΔTad(T)ΔH的值就为温度T0下,磁场变化ΔH时TF和T0的差。方法可分为传感器直接接触和非直接接触。可以采用对试样直接施加磁场或去掉磁场,或者是将试样在送入或取出一个匀强磁场中达到对试样直接加磁或去磁。这种操作方法一般仅用于永磁体磁场,采用高磁场强度十分困难。直接测量法的精度取决于温度计的误差,磁场的设定,试样的绝热状况(在材料的MCE较大时,这一点是测量误差的主要来源之一),以及如何弥补在磁场变化时对温度计的读数的影响。一般说来,其误差在5 ~ 10%[1]。由于材料的温度变化不但受磁场的改变的频率的影响,同时也是时间的函数,因此温度传感器的敏感性也是非常重要的误差指标。最近,关于对Gd-Si-Ge磁热材料的ΔTad(T)$H的测量数据的争论也涉及到这一问题[2][3]。