МКЭ

МАГНИТОКАЛОРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

3D модель вставки в Биттеровский магнит для измерения МКЭ

В основе технологии магнитного охлаждения лежит магнитокалорический эффект (МКЭ). Традиционно МКЭ принято считать изменение температуры магнетика при его адиабатическом намагничивании (размагничивании), однако сейчас этот термин приобрел более широкое значение. Если магнитный материал при какой-то заданной начальной температуре испытывает изменение внешнего магнитного поля, то можно определить изменение температуры ΔT в адиабатических условиях, или изменение энтропии ΔS и удельную теплоту q в изотермических условиях. Наибольший научный и практический интерес представляет МКЭ, наблюдаемый при температурах вблизи магнитных фазовых переходов (ФП), так как в этом случае он достигает своих максимальных значений. Это происходит из-за большого изменения внутренней энергии при ФП, а также связано с проблемой взаимодействия подсистем твердого тела в условиях магнитной и структурной неустойчивости. Таким образом, можно сказать, что основные функциональные характеристики холодильной машины на основе МК эффекта будут напрямую зависеть от типа и свойств магнитного ФП материала, используемого в качестве рабочего тела.

Вблизи ФП в магнетиках наблюдаются кинетические и релаксационные явления, которые будут ограничивать максимально возможную частоту F термодинамических циклов холодильной машины, однако этот важнейший вопрос до сих пор мало затрагивается теоретиками и экспериментаторами. Кроме того, в ряде случаев вблизи ФП наблюдается специфическое неравновесное, надтепловое фазовопереходное излучение, природа которого до конца не установлена.

Еще одним важным и недостаточно изученным фактором является работа магнитного поля δA по намагничиванию/размагничиванию материала рабочего тела в термодинамическом цикле. Даже при ФП 2-го рода, например, в точке Кюри, магнитным полем необратимо производится некоторое количество энтропии. При ФП 1-го рода, обладающем гистерезисной зависимостью намагниченности от температуры и магнитного поля, это количество энтропии будет существенно выше. Все потери за цикл, в том числе и магнитные, будут уменьшать коэффициент эффективности процесса η магнитного охлаждения, который (как и в лучших холодильных машинах на основе фреонов) должен быть > 1.

Основной же рабочей характеристикой холодильной машины является удельная мощность W, которую можно оценить, как: W = q· F. Таким образом, для создания конкурентоспособной холодильной машины для широких применений (в промышленности и быту) необходимо экспериментально исследовать фундаментальные ограничения на скорость протекания магнитных ФП и на количество теплоты, которое может передать материал рабочего тела за термодинамический цикл. Без исследования основных функциональных характеристик МК материалов создание энергоэффективной холодильной машины на их основе невозможно.