磁熵變測量實驗裝置

杜曉波，孫 昕，張志杰，劉春杰，顏明哲，袁艷春

（吉林大學物理實驗教學中心，吉林長春130023）

1 引 言

給磁性材料系統施加磁場，磁性材料被磁化，磁有序度增加，磁熵減小，溫度升高，對外放出熱量；再將其去磁，磁有序度下降，磁熵增大，溫度降低，從外界吸收熱量，這就是磁熱效應.自從19世紀發現磁熱效應之后，科研工作者對其進行了大量的研究并成功應用到低溫制冷技術領域.到目前為止，20K下的低溫磁致冷裝置在某些領域已實用化.但在20K以上，特別是近室溫附近，低溫磁制冷采用的磁性離子系統熱運動加強，磁有序態難以形成，外磁場作用前后磁熵變減小，磁熱效應減弱，室溫磁制冷技術沒有得到應用.磁致冷技術以磁性材料作為制冷工質，無環境的污染和破壞，被認為是取代氟利昂制冷的理想制冷技術.此外磁制冷還有噪聲小、體積小、重量輕、易維護、高效節能的優點.近年來由于環保的迫切需要以及一些具有較大的室溫磁熱效應材料（例如Gd5Ge2Si2）的出現，使室溫磁制冷技術的研究重新受到關注.為將室溫磁熵變引入實驗教學，吉林大學物理實驗教學中心制作了一套實驗教學用磁熵變測量裝置，并在近代物理實驗教學中投入使用，教學效果良好.

2 磁熵及磁熵變測量方法

磁熵變是衡量磁制冷材料性能的重要指標，它是指改變磁場后磁熵的變化值[1－3]

等溫過程中放出或吸收的熱量為

絕熱過程中溫度的變化為

磁熵測量方法是測量不同溫度的M（H）曲線，之后由M（H）曲線計算出磁熵變.將公式中的微分用泰勒級數展開，使用前差商近似來代替微分可得到近似計算公式：

3 磁熵變測量實驗裝置介紹

圖1為磁熵變測量實驗裝置結構示意圖.裝置包括磁場控制單元、溫度控制單元、磁矩磁場測量單元等部分.

1）磁場控制單元

包括電磁鐵、電磁鐵電源、磁場測量線圈及磁場測量積分器、計算機和相應的控制程序等.磁場在計算機控制下步進掃描，最大磁場2T.標定后，磁場測量線圈及積分器對磁場進行測量.

2）溫度控制單元

溫度控制單元由半導體制冷和電阻加熱兩部分組成.半導體制冷片和樣品都固定在一塊紫銅板上，紫銅板將樣品中的熱量傳導到半導體制冷片的冷端.關閉電阻加熱，并用0℃的水（冰水混合物）冷卻制冷片熱端，可將樣品溫度控制在－10℃左右.開啟電阻加熱，可將樣品溫度控制在－10～60℃之間的任意溫度.電阻加熱由帶有PID功能的智能儀表控制，控制精度小于1℃.

圖1 實驗裝置結構示意圖

磁化強度M的測量用雙線圈（串聯反接）＋積分器的閉路測量方式，樣品加工成具有規則的幾何形狀（橫截面可以準確計算），與電磁鐵極頭緊密接觸，避免了十分復雜和容易引起較大誤差的退磁因子修正問題.磁矩的標定采用具有相同形狀的純金屬鎳.

由計算機控制數據采集和磁熵變的計算，并對磁場和溫度以及整個測試過程進行自動控制.

4 磁熵變測量

圖2為金屬釓（Gd）樣品在－6～50℃溫度范圍內的等溫磁化曲線.由式（1）可計算出磁熵變隨著溫度的變化，如圖3所示.

圖2 釓在－6～50℃溫度范圍內的等溫磁化曲線

圖3 金屬釓不同溫度下的磁熵變

5 結束語

室溫磁制冷技術以固體磁性材料作為制冷工質，無環境的污染和破壞，還具有噪聲小、體積小、重量輕、易維護、高效節能等優點，是取代氟利昂制冷的理想制冷技術，是當前物理和材料科學研究的熱點課題.磁工質磁化與退磁狀態磁熵變化大小是決定磁制冷效率的關鍵.本實驗裝置可以為學生開設磁熵測量方面的近代物理基本實驗，讓學生學習了解磁熵的基本概念，掌握磁熵變測量及計算的基本方法，也可以結合材料制備方面的實驗項目，讓學生開展室溫磁制冷材料和磁制冷技術的實驗研究.

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