Demagnetizare adiabatică
Demagnetizarea adiabatică este o tehnică pentru obținerea unor temperaturi extrem de scăzute (sub 1 kelvin ) care utilizează efectul magnetocaloric .
Principiul care stă la baza procedurii a fost sugerat de Debye în 1926 și de Giauque în 1927 [1], iar primul răcitor de acest tip a fost construit de unele grupuri în 1933 . Refrigerarea magnetică a fost prima metodă care a permis temperaturi sub 0,3 kelvin (în prezent ușor de realizat cu un criostat de diluare ³He / 4 He ).
Efect magnetocaloric
Efectul magnetocaloric și, în practică, demagnetizarea adiabatică, este un proces magneto-termodinamic în care variația de temperatură reversibilă a unui material adecvat este cauzată de schimbarea câmpului magnetic. În general, când câmpul magnetic scade, domeniile magnetice ale materialului feromagnetic își asumă o orientare aleatorie în raport cu câmpul magnetic datorită temperaturii. Dacă materialul este izolat în așa fel încât să nu poată schimba energie cu exteriorul (proces adiabatic), temperatura scade pe măsură ce domeniile magnetice absorb energia termică pentru a se reorienta.
Ciclul termodinamic
Ciclul termodinamic funcționează ca un răcitor, adică ca un ciclu închis între două rezervoare de căldură care „transportă” căldura de la cel mai rece la cel mai fierbinte, care poate fi, de exemplu, un circuit de agent frigorific cu heliu. Ciclul funcționează între două niveluri diferite de câmp magnetic.
Descriem ciclul, începând de la momentul în care cristalul se află în echilibru termic cu materialul rece și cu câmpul magnetic la nivelul scăzut.
- Magnetizare adiabatică: cristalul este separat de mediul rece și este izolat. Creșterea câmpului magnetic extern (+ H ) produce o lucrare care crește energia magnetică a atomilor. Cu toate acestea, entropia nu se poate schimba deoarece nu poate trece căldura, adică dipolii magnetici nu schimbă orientarea față de câmp, deși fiecare direcție a dipolului devine acum mai energică decât era înainte. Astfel, creșterea energiei interne se traduce doar printr-o creștere a temperaturii ( T + Δ T ad ), aducând cristalul la un nivel de temperatură mai mare decât rezervorul fierbinte.
- Transfer de entalpie izomagnetică: la contactul termic cu baia fierbinte, materialul se răcește, dându-i energie, până când atinge echilibrul termic. Câmpul magnetic este menținut constant, pentru a permite dipolilor să transfere toată căldura în baie și nu în câmpul magnetic: își pierd agitația termică, adică orientarea lor aleatorie, decăzând spre orientarea mai puțin energetică. Căldura lor a fost transferată în baie și atât temperatura, cât și entropia cristalului scad.
- Demagnetizare adiabatică: cristalul este separat de baia fierbinte, este din nou izolat și câmpul magnetic este redus (transformare adiabatică). Dipolii magnetici, având în vedere câmpul magnetic mai mic, pierd energie în ciuda faptului că nu își schimbă orientarea, astfel temperatura scade la entropie constantă. Se atinge o temperatură mai mică a obiectului refrigerat.
- Transfer entropic izomagnetic: Prin menținerea constantă a câmpului magnetic, materialul este pus în sfârșit în contact cu mediul rece pentru a fi răcit. Având în vedere că temperatura cristalului este mai mică decât cea a băii în sine, căldura curge spontan în cristal determinând dipolii să se orienteze aleatoriu: aceasta transferă energia termică a băii reci către ei, le crește entropia și crește temperatura până la echilibrează cu baia rece. Ciclul poate începe de la capăt. [2]
Demagnetizarea nucleară
O variantă de demagnetizare adiabatică este refrigerarea de demagnetizare nucleară (NDR). Principiul este același, dar în acest caz puterea de răcire este asigurată de momentele magnetice nucleare și nu de momentul magnetic atomic. Deoarece aceste momente dipolare sunt mult mai mici, este mai dificil să le aliniați. Acest lucru permite o putere de refrigerare mai mare (care permite o temperatură foarte scăzută până la 1 µ kelvin ), dar în același timp necesitatea de a utiliza câmpuri magnetice mai intense (3 tesla sau mai mult).
În acest caz, materialul utilizat trebuie să fie inițial la o temperatură foarte scăzută (10 - 100 m K ). Pre-răcirea este de obicei asigurată de camera de amestecare a unui răcitor de diluare sau de o etapă ADR.
Notă
- ^ Mark W. Zemansky, Temperaturi foarte scăzute și foarte ridicate , New York, Dover, 1981, p. 50, ISBN 0-486-24072-X .
- ^ Goodstein, Matter State Physics .
Elemente conexe
linkuri externe
- Evaluarea cantităților termodinamice în refrigerarea magnetică , pe arxiv.org .
| Controlul autorității | NDL ( EN , JA ) 00561252 |
|---|
