絕熱去磁制冷的物理原理

1、 重慶工學(xué)院絕熱去磁制冷的物理原理姓名： 學(xué)號： 絕熱去磁制冷的物理原理 摘要 本文從熵的觀點(diǎn)出發(fā)，利用熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理與量子力學(xué)理論分別從宏觀與微觀的角度對絕熱去磁制冷的物理原理進(jìn)行了初等分析.關(guān)鍵詞 磁熵;順磁質(zhì);絕熱去磁1.制冷原理在物理學(xué)中“低溫”是指低于液態(tài)空氣(81K)的溫度.低溫在現(xiàn)代技術(shù)與科學(xué)中有著重要意義.在技術(shù)上空氣在低溫液化后可以通過分餾而得到氧氣、氮?dú)?、氫氣等工業(yè)各方面的應(yīng)用，在生物科學(xué)上，低溫環(huán)境用來保存活體.用低溫可以使某些材料具有超導(dǎo)性質(zhì).在廣泛地用來產(chǎn)生強(qiáng)磁場.對低溫條件下物理現(xiàn)象的研究在理論上也具有重要意義.這方面著名的例子是，吳健雄等人利用絕熱去磁致冷的低溫

2、條件做的so C。絕熱去磁是產(chǎn)生1K以下低溫的一個(gè)有效方法，即磁冷卻法。這是1926年 HYPERLINK /view/447345.htm t _blank 德拜提出來的。在 HYPERLINK /view/105640.htm t _blank 絕熱過程中順磁固體的溫度隨磁場的減小而下降。將順磁體放在裝有低壓氦氣的容器內(nèi)，通過低壓氦氣與液氦的接觸而保持在1K左右的低溫，加上磁場（量級為106A/m）使順磁體磁化，磁化過程時(shí)放出的熱量由液氦吸收，從而保證磁化過程是等溫的。順磁體磁化后，抽出低壓氦氣而使順磁體絕熱，然后準(zhǔn)靜態(tài)地使磁場減小到很小的值（一般為零）。利用固體中的順磁離子的絕熱去磁效應(yīng)

3、可以產(chǎn)生1K以下至mK量級的低溫。例如從0.5K出發(fā)，使硝酸鈰鎂絕熱去磁可降溫到2mK。當(dāng)溫度降到mK量級時(shí)，順磁離子磁矩間的相互作用便不能忽略。磁矩間的相互作用相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)等效的磁場（大小約104103A/m），使磁矩的分布有序化，這方法便不再有效。核磁矩的大小約為原子磁矩的1/2000。因此核磁矩間的相互作用較順磁離子間的相互作用要弱的多，利用核絕熱去磁可以獲得更低的溫度。1.1制冷方法根據(jù)各種致冷原理，目前主要的致冷方法大致可分為四類:(1)絕熱膨脹法;(2)物相轉(zhuǎn)化法;(3)絕熱去磁法;(4)激光致冷法.絕熱去磁法是由德拜和吉奧克等人于20世紀(jì)20至50年代發(fā)展起來的致冷方法.“絕熱

4、去磁冷卻”由等溫磁化和絕熱去磁兩個(gè)過程構(gòu)成.由于后一過程實(shí)現(xiàn)冷卻而被如此命名.根據(jù)磁體的類別，絕熱去磁法又可分為順磁性鹽絕熱去磁法與絕熱去磁法.利用前者一般可降溫至mK量級，而利用后者通常可獲得K量級低溫，兩者致冷原理相似. 本文以具有自旋系統(tǒng)的理想順磁性鹽類為研究對象，從熵的觀點(diǎn)出發(fā)，利用熱力學(xué)，統(tǒng)計(jì)物理與量子力學(xué)理論，分別從宏觀與微觀的角度對磁制冷的物理原理進(jìn)行了初等分析，并簡單介紹了順磁性鹽絕熱去磁致冷法在卡諾循環(huán)中的物理原理，可供大學(xué)物理課教學(xué)參考.1.2熵的觀點(diǎn) 熵是系統(tǒng)無序度的量度.當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷的是絕熱過程時(shí)，系統(tǒng)的熵變?yōu)榱?容易理解，對磁介質(zhì)來說，影響其熵變的主要因素有兩個(gè):一個(gè)是

5、磁介質(zhì)本身的溫度T，二是施于磁介質(zhì)的外磁場Bo.因此，我們可以將磁介質(zhì)的熵看成由兩個(gè)部分組成:一部分受溫度的影響，稱為熱熵，用Sr表示;另一部分受磁場B的影響，稱為磁熵，用SB表示.于是系統(tǒng)的熵為S=SB+ST.當(dāng)介質(zhì)絕熱磁化，磁場由零增到某一數(shù)值時(shí)，介質(zhì)內(nèi)的分子磁矩的排列將由混亂無序到趨于與外磁場B。同向平行排列，即系統(tǒng)的磁化熵(無序)減少了，SH 0，這表明磁介質(zhì)分子的熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度增加，介質(zhì)的溫度升高.可見，絕熱磁化會使磁介質(zhì)的溫度增加. 當(dāng)絕熱去磁時(shí)，介質(zhì)內(nèi)的分子磁矩的排列又恢復(fù)到磁化前的混亂狀態(tài)，即無序度增加，磁化熵變大SH0.故STA絕熱磁化，系統(tǒng)的熵不變.此過程因?yàn)镾B 0.系統(tǒng)溫度由T，升至T2. A-B繼續(xù)磁化并等溫放熱，系統(tǒng)的熵下降.B-C是絕熱去磁過程，系統(tǒng)的熵不變，由于工質(zhì)從磁有序變?yōu)榇艧o序，所以SB0, STD繼續(xù)退磁直至撤出外磁場，系統(tǒng)吸熱保持低溫，工質(zhì)回到初態(tài).致冷系數(shù)為。T2T1-T2. 從本文的分析結(jié)果可以看出，理想的順磁工質(zhì)所應(yīng)具備的條件是:熱熵(晶格熵 ST應(yīng)盡量小;磁性離子密度要高，且J值要大以獲得大的熵變;熱傳導(dǎo)率要高，它是決定致冷機(jī)運(yùn)行速度致冷能力