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磁制冷技术的原理是什么?

2025-03-04 06:14:13

推荐回答（3个）

回答1：

磁制冷是一种利用磁性材料的磁热效应来实现制冷的新技术，所谓磁热效应是指外加磁场发生变化时磁性材料的磁矩有序排列发生变化，即磁熵改变，导致材料自身发生吸、放热的现象。

在无外加磁场时，磁性材料内磁矩的方向是杂乱无章的，表现为材料的磁熵较大；有外加磁场时，材料内磁矩的取向逐渐趋于一致，表现为材料的磁熵较小。

磁制冷基本原理如图所示，在励磁的过程中，磁性材料的磁矩沿磁场方向由无序到有序，磁熵减小，由热力学知识可知此时磁工质向外放热；在去磁的过程中，磁性材料的磁矩沿磁场方向由有序到无序，磁熵增大，此时磁工质从外部吸热。

其次在绝热条件下，磁工质与外界没有发生热量交换，在励磁和去磁的过程中，磁场对材料做功，使材料的内能改变，从而使材料本身的温度发生变化。

扩展资料：

磁制冷技术发展历史

1、1881 年，Warburg在金属铁中首次发现了这种现象，随后 Giauque进行了绝热去磁的应用研究，并于1927年获得小于1 K的低温。

2、1976 年室温磁制冷技术出现了突破性进展，美国NASA的Brown采用稀土金属钆（Gd）搭建了第一台室温磁制冷样机，并引入回热概念，在7T超导磁场下获得47K无负荷制冷温跨。

3、基于回热器式室温系统的实践经验，1982年Barclay与Steyert进一步提出了主动磁回热器原理，并构建出主动磁制冷循环，为目前绝大多数室温磁制冷机采用。当前室温磁制冷技术已在磁热材料研发、流程设计回热器制备工艺、磁路设计等方面获得了不小的进步。

4、1997年Gschneidner 和 Gschneidner发现了GdSiGe基材料的巨磁热效应，随后胡凤霞等发现了比 Gd 绝热温变更大且价格更便宜的LaFeSi基材料；当单层 AMR 技术满足不了制冷性能的需求时，通过元素调节和掺杂可以调节材料的居里温度点，为多层 AMR 的应用奠定了材料学基础。

参考资料来源：百度百科-磁制冷

回答2：

基于“磁热效应”（MCE）的磁制冷是传统的蒸汽循环制冷技术的一种有希望的替代方法。在有这种效应的材料中，施加和除去一个外加磁场时磁动量的排列和随机化引起材料中温度的变化，这种变化可传递给环境空气中。Gd5Ge2Si2是其中一种所谓的巨型MCE材料，当在上个世纪90年代后期被发现时曾引起人们很大兴趣。

　　在1907年郎杰斐（P.Langevin）就注意到：顺磁体绝热去磁过程中，其温度会降低。从机理上说，固体磁性物质（磁性离子构成的系统）在受磁场作用磁化时，系统的磁有序度加强（磁熵减小），对外放出热量；再将其去磁，则磁有序度下降（磁熵增大），又要从外界吸收热量。这种磁性离子系统在磁场施加与除去过程中所出现的热现象称为磁热效应。1927年德贝（Debye）和杰克（Giauque）预言了可以利用此效应制冷。1933年杰克实现了绝热去磁制冷。从此，在极低温领域（mK级至16K范围）磁制冷发挥了很大作用。现在低温磁制冷技术比较成熟。美国、日本、法国均研制出多种低温磁制冷冰箱，为各种科学研究创造极低温条件。例如用于卫星、宇宙飞船等航天器的参数检测和数处理系统中，磁制冷还用在氦液化制冷机上。而高温区磁制冷尚处于研究阶段。但由于磁制冷不要压缩机、噪声小，小型、量轻等优点，进一步扩大其高温制冷应用很有诱惑力，目前十分重视高温磁制冷的开发。

　基本概念

　　磁制冷是在顺磁体绝热去磁过程中获得冷效应的。了解磁制冷，先解释一下顺磁体。螺旋线圈通电时，产生感应磁场。在线圈中插入磁性物体（比如铁棒），物体磁化后产生附加磁场。于是，总的磁感应强度为　　(1) 　　不同的磁介质产生的附加磁场情况不同，附加磁场与原磁场方向相同的磁介质为顺磁体（如铁、锰）；附加磁场与原磁场方向相反的磁介质为抗磁体（如铋、氢等）。磁感应强度单位是特斯拉（Tesla），用符号T表示，量纲为N／Am。　　依热力学方法讨论磁制冷。设物体的磁矩为物体在磁场H中磁矩增加时，磁场对物体作功为。该过程中物体吸热，内能增加。则由热力学第一定律有　　(2) 　　式中 ----- 真空磁导率，；　　―― ----- 磁场强度，A/m；　　―― ----- 磁矩，。　　将式(2)与熟知的气体热力学第一定律表达式相类比。磁系统中的相当于气体系统中的压力；则相当于体积。并类似地引出磁熵的概念。用图可以描述磁性物体的磁热状态，反映出物体温度T、磁熵与磁场B（常用磁感应强度代替磁场度H）三者之者的关系。

　　低温磁制冷

　　在16K以下的极低温区，由于固体的晶格振动和传导电子的热运动可以忽略，故磁离子系统的磁熵变近似等于整个固体的总熵变这种情况下，磁制冷采用卡诺循环，磁材料用稀土顺磁盐。　　磁制冷卡诺循环如图1所示。它由四个过程组成：

　　1－2 为等温磁化（排放热量）；

　　2－3 为绝热退磁（温度降低）；

　　3－4 为等温退磁（吸收热量制冷）；

　　4－1 为绝热磁化（温度升高）。　　

　　已开发出的磁材料有：钆镓石榴（Gd3Ga5O12）、镝铝石榴石（Dy3Al5O12）、钆镓铝石榴石（Gd3（Ga1-xAl2）5O12,x=(0.1~0.4)。其制冷温度范围：(4.2~20)K。

　　正在开发的磁材料有：Ral2和RNi2(R代表Gd,Dy,Ho,Er等重稀土)。其制冷温度范围：（15~77）K。　　磁制冷装置首先需要有超导强磁体，用于产生强度达(4~7)T的磁场。用旋转法实现循环：将钆镓石榴石（磁介质）做成小球状，充填入一个空心圆环中。使圆环绕中心轴旋转，转到冰箱外的半环受磁场作用，磁化放热；转到冰箱内的半环退磁，吸热制冷。日本川崎公司研究的这类转动式磁制冷机需要的最大磁场强度为4.5T；旋转速度为0.72r/min；制冷温度达(4.2~11.5)K；制冷量为0.12w。

　　高温磁制冷

　　温度20K以上，特别是近室温附近，磁性离子系统热运动大大加强，顺磁盐中磁有序态难以形成，它在受外磁场作用前后造成的磁系统熵变大大减小，磁热效应也大大减弱。所以，进入高温区制冷，低温磁制冷所采用的材料和循环都不适用。　　

　　目前，力图使高温磁制冷实用公的研究包括以下主要方面：①寻找合适的磁材料（工质）。它应具有的特点是：离子磁矩大、居里点接近室温、以较小磁场（例如1T）作用与除去作用时能够引起足够大的磁熵变（即磁热效应显著）。现已研制出一系列稀土化合物作磁制冷材料，如R-Al,R-Ni,R-Si等系列的物质（其中R代表稀元素），还有复合型磁制冷物质（由居里点不同的几种材料组成）。②外磁场。需采用高磁通密度的永磁体。③研究最合适的磁循环并解决实现循环所涉及到的热交换问题。
继续追问：请问磁制冷的发展以后有什么曲向？补充回答：目前，磁制冷主要应用在极地温和液化氦等小规模的装置中。虽然诸多原因的限制使磁制冷基础理论尚未成熟，但磁制冷终将因其高效、无污染等特点成为未来颇具潜力的一种新的制冷方式，而对磁制冷循环理论的拓深必能大力推进磁制冷技术在太空开发和民用技术中的应用，为磁制冷开辟更加广阔的前景。
　　此外，磁制冷冰箱已研制成功
　　根据实验得知，电冰箱和空调装置使用的制冷剂——氟利昂会污染环境，而用磁制冷原理制作的冰箱这不仅不会破坏环境，而且效率要比用氟利昂制冷高40%，其成本低25%。
　　另外，磁制冷在空间和核技术等国防领域也有广泛的应用前景：在这个领域里要求冷源设备的重量轻、振动和噪音小、操作方便、可靠性高、工作周期长、工作温度和冷量范围广。磁制冷机完全符合这些条件，例如冷冻激光打靶的氘丸，核聚变的氘和氚丸，红外元件的冷却，磁窗系统的冷却，扫雷艇超导磁体的冷却等

回答3：

　　磁制冷技术的制冷原理是“磁热效应”，也就是固体磁性材料在外加磁场发生变化时温度随之变化的效应——例如铁磁性材料进入磁场时温度升高、离开磁场时温度降低。这种磁场导致的温度变化与磁性材料的原子晶格结构变化有关，而通过导热液体（比如水）将磁性材料产生的低温传导出去，就能帮助冰箱制冷。

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