磁热效应演示实验.doc

物理实验第 27 卷 第 2 期2007 年 2 月Vol . 27 No . 2Feb. ,2007P H YSICS EXP ER IM EN TA T ION磁热效应演示实验高茜 ,胡广兴(东北大学 理学院 ,辽宁 沈阳 110004)摘 要 :简述了磁热效应的原理及磁致冷技术的发展现状 . 使用纳米磁流体为工作物质设计了室温磁热效应演示实验 ,通过灵敏电流计光标的偏转角度显示温度的变化 .关键词 :磁热效应 ;磁熵变 ;纳米磁流体中图分类号 :O482 . 6文献标识码 : A文章编号 :100524642 (2007) 0220008203工作物质的磁性材料的限制 ,磁致冷技术一直在低温区徘徊 . 从 1976 年 B ro w n 将铁磁性材料钆 ( Gd) 成功地应用于室温磁致冷机上之后 ,世界各 国的学者对于室温环境下磁致冷材料做了大量的 研究工作 . 尤其是近年来 ,随着人们环保意识的提高 ,磁致冷技术越来越受到重视. 目前 ,低温磁磁热效应及磁致冷技术11 . 1 磁热效应原理磁热效应 ( M C E) 是 1881 年发现的 1 , 它 是 指顺磁体或软铁磁体在外磁场的作用下等温 ( 或绝热) 磁化时会放出热量 ,而在去磁时会吸收热量的现象 . 磁热效应是所有磁性材料的固有本质 , 它是由此类物质的微观结构决定的 2 . 根据玻尔 兹曼统计 ,系统的熵为 S = kl n W , 其中 k 为玻尔 兹曼常量 , W 为系统的状态数. 如果系统的粒子 数为 N , 总量 子 数为 j , 当系 统不 受 外 磁 场 作 用时 , 粒子的能量随机地分布在 2 j + 1 个简并状态上 , 其角动量和磁矩取向有 2 j + 1 个 , 所以系统的 状态数 W = ( 2 j + 1) N ; 当系统受外磁场作用时 , 粒子的角动量和磁矩取向在各能级状态上分布的致冷技术已发展得比较成熟 ,在制取液氦 、液氮 、液氢等方面取得了较好的成就 5 . 随着人们对磁性材料研究的逐步深入 ,尤其是纳米磁性材料的 出现 ,室温 (高温) 磁致冷技术也得到了蓬勃发展 ,它在居室空调 、汽车空调 、航空航天器空调以及家庭食品和超市食品的冷冻冷藏等方面 ,都有着广 阔的应用前景和巨大的市场潜力 . 在这种大环境下 ,我们设计了磁热效应演示实验 ,希望能通过简 单方便的实验激发学生对新材料 、新技术的兴趣 ,满足教学与时俱进的需要 .-gB m j B概率 P ( m j ) e xp. 其中 g 是朗德k T2演示实验的设计因子 ;B 是 玻 尔 磁 矩 ; m j 是 磁 量 子 数 , 取 值 有2 j + 1个 ; B 是外磁场磁感强度 ; T 是系统的温度 .如果外磁场磁感强度较大 , 系统的温度相对较低 ,磁矩取向 趋于 一 致 , 即系 统的 状 态 数 W 趋 近 于1 , 因此 , 熵趋近于 0 , 在这个过程中系统的磁熵变 S - N kl n ( 2 j + 1) ; 而系统放出 ( 或吸收) 的热 量QS . 可见 , 外磁场越大 , 温度越低 , 系统 的熵变越大 , 磁热效应越显著 24 .1 . 2 磁致冷技术的发展人们从发现磁热效应之初 ,就有了利用磁热 效应开发研究磁致冷技术的欲望 ,但由于受作为2 . 1 演示实验对工作物质的要求从理论上说 ,只要工作物质能够发生磁相变 ,就会产生磁热效应 . 但是 ,室温磁热效应并不容 易实现 ,因为磁热效应是靠磁相变来实现的 ,而磁熵变较大的磁性材料 ,磁相变温度 (居里点) 很低 , 在室温下无法演示. 而且 ,一般来说 ,磁性系统的 有效熵为磁熵 、晶格熵和电子熵之和 . 在低温条件下 ,晶格熵和电子熵可以忽略 ,系统磁熵的变化 相对较大 45 , 磁 致 热 效 果 比 较 明 显 ; 室 温 条 件下 ,磁性系统的电子熵可以忽略 ,而晶格熵不可忽收稿日期 :2006206209作者简介 :高 茜 (1963 - ) ,女 ,东北大学理学院讲师 ,硕士 ,从事普通物理实验教学工作 .略 ,它在磁致热过程中会变成额外的热负荷 ,使有效熵减小 ,相变时的磁熵变随之减小 ,因此 ,室温 下磁致 热现 象 很不 明显 . 要 满足 演 示实 验的 要 求 ,需要做到以下 4 点 :1) 最首要的是选取在常温下能明显产生磁热 效应的工作物质 ,它需要满足以下几个条件 34 : 磁性工作物质的居里点要接近室温 ; 晶格熵和电 子熵较小 ; 密度 、角量子数以及朗德因子要比较 大 ,这样可以提高熵变 ;热导率要高 、比热要低 ,以便于观察温度变化. 除了对材料性能的考虑 ,还 要考虑资金的限制 ,所选的材料还不能太昂贵.2) 由于实验室用磁场不能太强 ,所以工作物 质对于外磁场要敏感 ,励磁时温度马上升高 ;退磁 时温度马上降低.3) 温度的变化必须得到放大 ,便于观察者观 察 .4) 要有效消除励磁线圈的焦耳热对实验效果 的影响.2 . 2 纳米磁流体材料纳米磁流体材料是磁流体技术与纳米技术相 结合的产物 ,它是由单分子层 ( 2 nm) 表面活性剂裹覆的 ,直径小于 10 nm 的单磁畴磁性粒子高度扩散在某种液体载体中 ,形成的固 、液两相胶体溶 液 . 其性能既不同于单个原子 ,又不同于普通固 体 , 既具有磁性材料可被磁化的特性 ,又具有液体流动性的特点 5 . 与固态磁性纳米材料相比 , 液态载体中的磁性颗粒不仅能通过磁矩转动来实 现磁化 ,还容易通过颗粒的机械转动来实现磁化 , 从而具有放大磁热效应的作用 . 另外 ,它对磁场 要求不高 ,用普通线圈对其进行励磁即可 ,不用超导磁体 . 它 还有 一个 很 大的 优点 是 没有 磁滞 现 象 ,可使退磁过程与励磁过程正好对称. 它还能 克服固体磁性材料作为工作物质在测量温度时带 来的困难 6 . 经过反复试验 , 我们认为纳米磁流 体材料能满足室温下演示磁热效应对工作物质的要求 ,且材料是现成的 ,正在被其他实验所使用 .2 . 3 演示装置演示装置如图 1 所示 ,主要由 6 部分组成 :1) 可调电源. 为线圈提供可变的直流电 , 电 流变化范围 02 A ,电压变化范围 0250 V ,目的是可以在不同外磁场条件下 ,观察磁热效应.2) 加铁芯的励磁线圈. 内径为 8 c m ,外径为12 cm , 高 为 12 c m , 为 了 强 化 磁 场 , 中 间 插 入 铁图 1 磁热效应演示实验装置示意图芯 ,铁芯上面加固定座以放置试管 .3) 工作物质为纳米磁流体. 磁流体装在玻璃 试管里.4) 隔热 物 质 为 棉 花 . 用 棉 花 将 玻 璃 试 管 包 好 ,置于铁芯之上的固定座里 . 用隔热物质的目 的是防止励磁线圈产生的焦耳热干扰演示效果 .5) 温差电偶. 工作物质虽然用棉花包裹 , 但线圈在通电后产生的焦耳热 ,会使整个环境温度 都升高 ,如果测量的是绝对温度 ,就不能真实反映 磁热效应产生的效果 ,没有说服力. 为了消除焦 耳热的影响 ,选用温差电偶进行测温 ,将温差电偶 的冷 、热端分别置于隔热物质外壁和内壁 ,以便比较温差.6) 灵敏电流计. 温差电偶靠热电效应来测量 温差 ,由于温差小 ,产生的热电流也很微弱 ,必须 经过放大才能被观察到 ,所以我们没有选用电位 差计与温差电偶配合使用 ,而是用灵敏电流计来读出温差的变化 . 实验表明该方法效果较好 .演示方法及效果3按图 1 组装好仪器 ,用可调电源给线圈通电 ,通电电流逐步增加 ,密切观察灵敏电流计的光标 ,防止超量程 . 首先要经过反复试验 , 确定合适的 灵敏电流计量程 , 然后开始演示. 由电磁学知识 可知 , 工作物质所在处磁场 B 与线圈通电电流 I 关系为 B I , 而工作物质的磁熵变 S B , 又系 统的温度变化 T S , 所以 T I . 观察灵敏电流计光标的偏转程度时 , 分别从小到大 , 再从大 到小改变电流 , 会得到 I 的结果 . 当灵敏电 流计的量程选择合适时 , 演示效果十分显著 . 注 意 , 在每个观测点不要停留时间过长 . 因为灵敏 电流计所反映的是电流的冲量. 另外 , 如果在励磁线圈的电流达到最大值时 , 工作物质有可能处 于饱和磁化状态 , 此时没有熵变 , 温度不再发生变 化 , 但由于自然散热 , 造成温差电偶两端所受影响物理实验10第 27 卷不均衡 , 会引起灵敏电流计光标的偏转. 所以 , 在每个观测点停留时间都不要过长 , 并尽量避免周 围空气的流动. 2 Du A , Du H F. Mo nte Carlo calculatio n of t hemagnetizatio n behavio r a nd t he magnetocalo ric eff ect of interacti ng pa rticle s J . J . Magn. Magn. Ma2 t er . , 2006 ,299 (2) :247254 .戴闻 ,沈保根 ,胡凤霞 ,等 . 磁制冷研究中的物理问题 J . 中国科学基金 ,2000 ,14 (4) :216220 .刘爱红 . 熵与绝热去磁制冷的物理原理 J . 物理 与工程 ,2001 ,11 (2) :3537 .王贵 ,张世亮 , 赵仑 , 等 . 磁致冷材料研究进展 J .稀有金属材料与工程 ,2004 ,33 (9) :897901 .国秋菊 ,郑少华 ,陶文宏 . 纳米磁流体及其应用 J .企业技术开发 ,2005 ,24 (7) :810 .顾红 ,王选逵 . 磁流体技术及发展方向综述 J . 昆 明理工大学学报 ,2002 ,27 (1) :5557 .结束语4 3 本实验思路清晰 ,效果明显 ,所用仪器和操作方法简单易行 ,研究内容为科技前沿问题 ,因而可 以激发学生对新材料和新技术产生浓厚兴趣 ,有 利于培养学生的创新思维能力 . 4 5 6 参考文献 : 1 张艳 ,高强 ,俞炳丰 ,等 . 室温磁制冷研究新动态及 应用 J . 制冷与空调 ,2005 ,5 (4) :18 . 7 Magnetothermal eff ect and its demonstrationGA O Qia n , H U Gua n g2xi n g( School of Scie nce s , No rt hea st e r n U niver sit y , She nya ng 110004 , Chi na)Abstract : The p ri ncip le of ma gneto t he r mal eff ect a nd t he p ro gre ss of ma gnetic ref rigeratio n a rei nt ro duced brief l y. A de mo n st ratio n e xp e ri me nt of ma gneto t her mal eff ect i n no r mal roo m t e mp erat ure i s de si gned u si ng na no met er hydro ma gnet