Adiabatyczne rozmagnesowanie paramagnetyków jako metoda

Techniki niskotemperaturowe w
medycynie.
Adiabatyczne rozmagnesowanie paramagnetyków
jako metoda osiągania ekstremalnie niskich
temperatur.
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna st. II
Karolina Łysk
Domowe lodówki i klimatyzatory powszechnie wykorzystują gazy do osiągnięcia niskiej
temperatury. Najczęściej są to gazy szkodliwe dla środowiska, a sama technologia chłodzenia
sprężonym gazem w warunkach domowych osiągnęła kres swoich możliwości i nie jesteśmy
w stanie jej już udoskonalić. W zmianie sytuacji opracowano nowy stop, który pozwoli na
zastąpienie chłodzenia gazowego magnetycznym.
Chłodzenie magnetyczne, czyli inaczej adiabatyczne rozmagnesowanie to metoda
oziębiania, która jest stosowana głównie w celu osiągnięcia temperatury poniżej 1 Kelwina.
W metodzie tej wyzyskuje się zjawisko polegające na zmianie temperatury magnetyku
wskutek zmian pola magnetycznego, w którym się on znajduje.
Rozmagnesowanie adiabatyczne wykorzystuje do osiagnięcia ekstremalnie niskich
temperatur efekt magnetokaloryczny, czyli zjawisko, w którym specjalny materiał gwałtownie
obniża swoją temperaturę podczas przejścia przez zmienne pole magnetyczne.
Rys.1. Zjawisko magnetokaloryczne. Stop gadolinu nagrzewa sie wewnątrz pola magnetycznego
i traci eneggię cieplna w stosunku do otoczenia,a wiec po wyjsciu jest zimniejszy niż na
wejsciu.
Bardzo ważną rolę stanowią materiały wykorzystywane w tym efekcie. Wymagania stawiane
związką, które mogą stać się pożytecznymi materiałami magnetokalorycznymi powinny:
· zawierać pierwiastki ziem rzadkich (zwłaszcza gadolin) oraz 50% lub więcej atomów
magnetycznych w celu zminimalizowania nieaktywnej cieplnej masy ciała stałego,
· porządkować się magnetycznie w pobliżu temperatury pokojowej, aby mieściła się w zakresie
temperatur użytecznych ze względów aplikacyjnych,
· być metalami, ze względu na lepsze przewodnictwo cieplne niż np. ceramiki.
Przykładami takich związków są:
● czyste żelazo,
● gadolin,
● krzem,
● german,
● stop manganu, żelaza, fosforu i germanu
● stop niklowo-manganowo-galowy po domieszkowaniu.
Proces adiabatycznego rozmagnesowania przebiega następująco paramagnetyk
ochłodzony do temperatury powiedzmy 1 K umieszczamy w polu magnetycznym, jego
momenty magnetyczne ustawiają się wzdłuż pola, a więc znikną chaotyczne (termiczne)
zmiany ich kierunku. Jednak energia tego chaotycznego ruchu nie może zniknąć. Zostanie
ona przekazana drganiom atomów, powiększając ich energię kinetyczną. A zatem średnia
energia kinetyczna drgającego atomu się powiększy, czyli podwyższy się temperatura włączenie pola magnetycznego spowoduje ogrzanie się paramagnetyka.
Skoro umieliśmy ochłodzić wstępnie paramagnetyk do 1 K (na przykład ciekłym helem),
możemy zrobić to jeszcze raz w polu magnetycznym, zmniejszając energię drgań atomów do
początkowej wartości.
Następnie wyłączamy pole magnetyczne. Momenty magnetyczne paramagnetyka nie
„trzymane” już polem mogą teraz swobodnie się wahać. Potrzebną do tego energię zabierają
drganiom atomów. Zmniejszenie średniej energii kinetycznej drgań atomów oznacza
obniżenie temperatury - a więc wyłączenie pola magnetycznego spowodowało ochłodzenie
paramagnetyka.
Należy pamiętać, że wyłączenie pola musi się odbyć adiabatycznie, to znaczy bez kontaktu z
czynnikiem chłodzącym o temp 1 K - w przeciwnym wypadku zamiast chłodzić, ten ciekły
hel dostarczyłby ciepła paramagnetykowi, uniemożliwiając jego ochłodzenie poniżej 1 K.W
taki sposób (ten proces można powtarzać, chłodząc jeden paramagnetyk drugim) da się
osiągnąć temperatury rzędu 0,01 K.
Rys.2. Chłodzenie magnetyczne. Materiał magnetokaloryczny ogrzewa się pod wpływem
pola magnetycznego (b), następnie ulega ochłodzeniu i rozmagnesowaniu (c), a jego
temperatura spada znacznie poniżej poziomu pierwotnego (d)
Efekt magnetokaloryczny można porównać do sprężania i rozprężania gazu. Proces
izotermicznego namagnesowania to odpowiednik izotermicznego sprężania gazu, proces
rozmagnesowania adiabatycznego pod względem termodynamicznym jest analogiczny do
izentropowego rozprężania gazu.
Rys.3. Schemat chłodzenia gazowego: sprężony gaz zwiększa swoją temperaturę (2), podczas
rozprężania oddaje ciepło (3), jego temperatura spada poniżej pierwotnego poziomu (4).
Podsumowyjąc za pomocą porównania rozwiązania tego typu a technik tradycyjnych
proces ten nie wymaga części mechanicznych ani stosowania gazów szkodliwych dla
środowiska, aparatura wykorzystująca rozmagnesowanie adiabatyczne nie zużywa się, jest
wydajniejsza o 40% od tradycyjnych metod i oszczedność energii elektrycznej nawet do 50%.
Zajmuje także mniej miejsca od sprężarek.
Bibliografia
1. Pecharsky V. K. and Gschneider Jr. K. A., Phys. Rev. Lett. 1997.
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration
3. Pecharsky V. K. and Gschneider Jr. K. A., Inter. J. Refrigeration 2006.
4. http://www.fogra.com.pl/
5. http://www.klaster.agh.edu.pl/pliki/skrzypulec.pdf
6. M. Chorowski: Kriogenika podstawy i zastosowania. Miasta Gdańsk 2007.
7. J. Piechna: Termoakustyka przyszłością chłodnictwa; Chłodnictwo & Klimatyzacja, 2005.