磁熵变测量实验装置

杜晓波，孙 昕，张志杰，刘春杰，颜明哲，袁艳春

（吉林大学物理实验教学中心，吉林长春130023）

1 引 言

给磁性材料系统施加磁场，磁性材料被磁化，磁有序度增加，磁熵减小，温度升高，对外放出热量；再将其去磁，磁有序度下降，磁熵增大，温度降低，从外界吸收热量，这就是磁热效应.自从19世纪发现磁热效应之后，科研工作者对其进行了大量的研究并成功应用到低温制冷技术领域.到目前为止，20K下的低温磁致冷装置在某些领域已实用化.但在20K以上，特别是近室温附近，低温磁制冷采用的磁性离子系统热运动加强，磁有序态难以形成，外磁场作用前后磁熵变减小，磁热效应减弱，室温磁制冷技术没有得到应用.磁致冷技术以磁性材料作为制冷工质，无环境的污染和破坏，被认为是取代氟利昂制冷的理想制冷技术.此外磁制冷还有噪声小、体积小、重量轻、易维护、高效节能的优点.近年来由于环保的迫切需要以及一些具有较大的室温磁热效应材料（例如Gd5Ge2Si2）的出现，使室温磁制冷技术的研究重新受到关注.为将室温磁熵变引入实验教学，吉林大学物理实验教学中心制作了一套实验教学用磁熵变测量装置，并在近代物理实验教学中投入使用，教学效果良好.

2 磁熵及磁熵变测量方法

磁熵变是衡量磁制冷材料性能的重要指标，它是指改变磁场后磁熵的变化值[1－3]

等温过程中放出或吸收的热量为

绝热过程中温度的变化为

磁熵测量方法是测量不同温度的M（H）曲线，之后由M（H）曲线计算出磁熵变.将公式中的微分用泰勒级数展开，使用前差商近似来代替微分可得到近似计算公式：

3 磁熵变测量实验装置介绍

图1为磁熵变测量实验装置结构示意图.装置包括磁场控制单元、温度控制单元、磁矩磁场测量单元等部分.

1）磁场控制单元

包括电磁铁、电磁铁电源、磁场测量线圈及磁场测量积分器、计算机和相应的控制程序等.磁场在计算机控制下步进扫描，最大磁场2T.标定后，磁场测量线圈及积分器对磁场进行测量.

2）温度控制单元

温度控制单元由半导体制冷和电阻加热两部分组成.半导体制冷片和样品都固定在一块紫铜板上，紫铜板将样品中的热量传导到半导体制冷片的冷端.关闭电阻加热，并用0℃的水（冰水混合物）冷却制冷片热端，可将样品温度控制在－10℃左右.开启电阻加热，可将样品温度控制在－10～60℃之间的任意温度.电阻加热由带有PID功能的智能仪表控制，控制精度小于1℃.

图1 实验装置结构示意图

磁化强度M的测量用双线圈（串联反接）＋积分器的闭路测量方式，样品加工成具有规则的几何形状（横截面可以准确计算），与电磁铁极头紧密接触，避免了十分复杂和容易引起较大误差的退磁因子修正问题.磁矩的标定采用具有相同形状的纯金属镍.

由计算机控制数据采集和磁熵变的计算，并对磁场和温度以及整个测试过程进行自动控制.

4 磁熵变测量

图2为金属钆（Gd）样品在－6～50℃温度范围内的等温磁化曲线.由式（1）可计算出磁熵变随着温度的变化，如图3所示.

图2 钆在－6～50℃温度范围内的等温磁化曲线

图3 金属钆不同温度下的磁熵变

5 结束语

室温磁制冷技术以固体磁性材料作为制冷工质，无环境的污染和破坏，还具有噪声小、体积小、重量轻、易维护、高效节能等优点，是取代氟利昂制冷的理想制冷技术，是当前物理和材料科学研究的热点课题.磁工质磁化与退磁状态磁熵变化大小是决定磁制冷效率的关键.本实验装置可以为学生开设磁熵测量方面的近代物理基本实验，让学生学习了解磁熵的基本概念，掌握磁熵变测量及计算的基本方法，也可以结合材料制备方面的实验项目，让学生开展室温磁制冷材料和磁制冷技术的实验研究.

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