Refrigeració magnètica

Una aleació de gadolini es calfa dins del camp magnètic i pert energia tèrmica cap a l'entorn, per lo tant quan el camp magnètic cessa està més fret que al principi del cicle.

La refrigeració magnètica és una tecnologia de refredat basada en el efecte magnetocalórico. Esta tècnica pot usar-se per a conseguir temperatures extremadament baixes, aixina com rancs de temperatures com els usats en els refrigeradores normals. Comparat en la refrigeració de gas tradicional, la refrigeració magnètica és més segura, silenciosa, compacta, té una major eficiència i és més respectuosa en el mig ambient al no usar gasos perjudicials per a la capa d'ozon.

Este efecte va ser observat per primera volta pel físic francés P. Weiss i el físic suís A. Piccard en 1917. El principi fonamental va ser sugerit per P. Debye en 1926 i W. Giauque en 1927. Els primers prototips de refrigerador magnètic varen ser construïts per diferents grups a partir de 1933. La refrigeració magnètica va ser el primer método que va permetre conseguir temperatures per baix de 0.3K, temperatura que també és alcanzable en ³He, açò és, bombejant vapors d'heli-3.

L'efecte magnetocalórico

L'efecte magnetocalórico és un fenomen magneto-termodinàmic en el qual un canvi de temperatura en un material susceptible d'això es dona quan s'expon dit material a un camp magnètic variable. Açò és conegut com desimanación adiabàtica. En dita part del cicle de refrigeració, una disminució en l'intensitat d'un camp magnètic aplicat externament permet que els dominis magnètics d'un material magnetocalórico es desorienten per l'agitació magnètica dels fonones presents en el material. Si el material està aïllat de manera que no es permeta l'entrada d'energia des de l'exterior durant dita desorganisació, la temperatura disminuïx com a conseqüència de l'absorció de calor per dits dominis. La aleatorización dels dominis és semblada a la que es dona en la temperatura de Curie d'un material ferromagnético, llevat que els dipols magnètics s'imponen sobre un camp magnètic extern de menor intensitat mentres l'energia total del sistema permaneix constant, en lloc de donar-se la disrupción de dominis magnètics per ferromagnetisme intern conforme s'afig més energia.

Un dels eixemples d'efecte magnetocalórico més notables es dona en el metal gadolini i alguna de les seues aleacions. La temperatura del gadolini aumenta quan se somet a l'efecte de certs camps magnètics. Quan dit camp magnètic cessa, la seua temperatura disminuïx. Este efecte és més fort en l'aleació (Gd₅Si₂Ge₂). El praseodimi aleado en níquel (PrNi₅) té un efecte magnetocalórico tan fort que ha permés als científics aplegar a temperatures propenques a un milikelvin, o una milèsima de grau per damunt del zero absolut.

Equació

L'efecte magnetocalórico pot quantificar-se en la següent expressió:

$\Delta T_{ad}=-\underset{H_0}{\overset{H_1}{\int }}(\frac{T}{C(T,H)}{)}_H{\left(\frac{\partial M(T,H)}{\partial T}\right)}_{H}dH$

a on T és la temperatura, H és el camp magnètic, C és la capacitat calorífica de l'iman de treball i M és la magnetisació del refrigerante.

De l'equació es deduïx que l'efecte magnétocalórico pot incrementar-se en les següents tècniques:

• aplicant un camp magnètic més intens,
• usant un iman en menor capacitat calorífica,
• usant un iman en una major relació entre magnetisació i temperatura en un camp magnètic constant.

Cicle termodinàmic

[[Archiu:Efecto_magnetocal%___caps_block_23___%B3rico.png|dreta|miniaturadeimagen|400x400px|Analogia entre refrigeració magnètica i cicle de vapor o refrigeraciónconvencional. H = camp magnètic extern; Q = capacitat calorífica; P = pressió; Nugueu = variació adiabàtica de temperatura.]] Este cicle s'aplica de manera anàloga a un cicle de Carnot, en variacions en l'intensitat del camp magnètic en lloc de canvis de pressió. Inicialment el material a ser gelat s'introduïx dins d'un camp magnètic, és dir, el fluix magnètic aumenta. El material a ser gelat o refrigerante escomença en equilibri tèrmic en el seu entorn immediat.

• Magnetisació adiabàtica: La substància magnetocalórica s'introduïx dins d'un entorn aïllat tèrmicament. El camp magnètic extern aumenta d'intensitat fent que els dipols magnètics s'alineen en dit camp, disminuint per lo tant l'entropía magnètica i la capacitat calorífica del refrigerante. Aixina, l'energia interna total del sistema permaneix constant, la entropía disminuïx i per tant aumenta l'energia tèrmica del sistema.
• Transferència entálpica isomagnética: La calor generada en el punt anterior pot ser eliminat per un gas o decorregut, com heli líquit o gaseós. L'intensitat del camp magnètic es manté constant per a impedir que els dipols reabsorban dit calor. Quan la temperatura ha disminuït lo suficient, es retira el camp magnètic aplicat (H = 0).
• Desmagnetización adiabàtica: La substància es torna a aïllar adiabáticamente de l'entorn de manera que la entropía permaneix constant. No obstant, en este cas el camp magnètic es disminuïx, i l'energia tèrmica fa que el moment magnètic supere dit camp magnètic, gelant-se, en un canvi de temperatura adiabàtic. L'energia i entropía es transferix, des d'entropía tèrmica a entropía magnètica, en forma de desorde dels dipols magnètics.
• Transferència entrópica isomagnética: El camp magnètic es manté constant per a evitar que el material es calent. Dit material se situa llavors en contacte en l'entorn a gelar. Ya que dit material està més fret que el seu entorn, per disseny, l'energia calorífica migra des del sistema a gelar cap al material de treball.

Una volta que el refrigerante i el seu entorn apleguen a l'equilibri tèrmic, el cicle escomença de nou.

En la pràctica

El principi bàsic de funcionament d'un refrigerador de desmagnetización adiabàtica (RDA) consistix en l'us d'un intens camp magnètic per a controlar la entropía d'un material, comunament cridat "refrigerante". El camp magnètic llimita l'orientació dels seus dipols magnètics. Segons aumenta l'intensitat de dit camp, també ho fa la cantitat de dipols alineats en ell, la qual cosa es traduïx en una disminució de la seua entropía i capacitat calorífica, degut a que els materials perden alguns dels seus graus de llibertat interns. Si el refrigerante es manté a temperatura constant per mig de l'us d'un disipador de calor, generalment heli líquit, el refrigerante deu perdre una part de la seua energia ya que es equilibra tèrmicament en el decorregut de malbarat de calor. Quan disminuïx l'intensitat o es retira el camp magnètic, la capacitat calorífica del refrigerante aumenta de nou perque els graus de llibertat associats en l'orientació dels dipols estan disponibles de nou, prenent la seua part d'energia a partir de l'energia cinètica de les molècules, i per tant disminuint la temperatura del material. Ya que el sistema es manté aïllat, el procés és adiabàtic, és dir, el sistema no pot intercanviar energia en el seu entorn immediat (el decorregut disipador de calor) i la seua temperatura disminuïx per baix del seu valor inicial, és dir, la del decorregut disipador.

El funcionament d'un RDA es pot resumir de la següent forma: Primer, un intens camp magnètic s'aplica al refrigerante, forçant als seus dipols a alinear-se i transferint dits graus de llibertat cap a un estat de baixa entropía. El decorregut disipador de calor absorbix dita energia, lliberada en forma de calor per la disminució d'entropía. S'interromp el contacte tèrmic en el decorregut disipador, aïllant efectivament el material refrigerante, i el camp magnètic es retira, aumentant la capacitat calorífica del refrigerante i disminuint la seua temperatura per baix de la del decorregut disipador. En la pràctica, l'intensitat del camp magnètic es reduïx gradualment per a permetre una refrigeració contínua i mantindre la mostra a una temperatura baixa i constant. Quan el camp magnètic s'aproxima a zero o un valor baix determinat per les propietats del refrigerante, el potencial enfriador de el RDA disminuïx, i pèrdues de calor fan que el refrigerante es calent.

Materials susceptibles

L'efecte magnetocalórico és una propietat intrínseca d'un sòlit magnètic. Esta resposta tèrmica d'un sòlit quan se li aplica un camp magnètic es pot maximizar quan la seua temperatura és propenca a la de la seua ordenació magnètica. Aixina, els materials aptes per a refrigeració magnètica deuen ser materials en una temperatura de transició de fase magnètica propenca a la temperatura d'interés. Aixina, en sistemes pensats per al seu us en casa, dita temperatura deu estar prop de la temperatura ambiente. El canvi de temperatura es pot incrementar si l'orde-paràmetro de la transició de fase canvia abruptament prop del ranc de temperatura d'interés.

La magnitut del canvi de temperatura adiabàtica i la entropía magnètica depenen del procés d'ordenació magnètica. Este valor és generalment chicotet en materials antiferromagnéticos, ferrimagnéticos i sistemes de vidre d'espin, i pot ser molt major en materials ferromagnéticos que sofrixquen una transició de fase magnètica. Les transicions de fase de primer orde es caracterisen per una discontinuïtat en els canvis de magnetisació en la temperatura, resultat en una calor latent. Les transicions de fase de segon orde no tenen esta calor latent associada en la transició de fase.

A finals dels anys 1990, Pecharsky i Gschneider varen informar d'un canvi d'entropía magnètica en Gd₅(Si₂Ge₂) un 50% superior al del gadolini pur, el qual tenia el major valor de canvi d'entropía magnètica conegut. Açò va ser cridat efecte magnetocalórico jagant (GMCE per les seues sigles en anglés) i es donava a 270K, inferior al del Gd (294K). Ya que el EMC es dona per baix de la temperatura ambiente, estos materials no eren aptes per al seu us en refrigeradores a dita temperatura. Des de llavors s'han trobat atres aleacions que mostren GMCE, entre elles Gd₅(Si_xGe_1−x)₄, La(Fe_xSi1−x)₁₃H_x i MnFeP_1−xAs_x. El gadolini i les seues aleacions tenen transicions de fase de segon orde sense histéresis tèrmica o magnètica. No obstant, l'us de terres rares fa que estos materials siguen molt cars.

Les aleacions Heusler Ni₂MnX (X = Ga, Co, In, Al, Sb) són materials prometedors ya que tenen temperatures de Curie propenques a l'ambiente i segons la seua composició, poden tindre transicions de fase martensíticas prop de la temperatura ambiente. Estos materials presenten memòria de forma magnètica i poden ser usats com a actuadors, sistemes de recolecció energètica i sensors. Quan la temperatura de transició de fase martensítica i la de Curie són iguals, el valor del canvi d'entropía magnètic s'maximizar. En febrer de 2014, General Electric va anunciar el desenroll d'un refrigerador magnètic basat en l'us de Ni i Mn.

El desenroll d'esta tecnologia depén fortament del material i és poc provable que reemplace els sistemes clàssics de vapor i compressió a no ser que es troben materials adequats que siguen barats, abundants i que mostren efectes magnetocalóricos més intensos en un ranc més ampli de temperatura. Estos materials necessiten mostrar canvis de temperatura importants baix un camp magnètic d'un tesla o menys, de manera que es puguen usar imans permanents per a la producció del camp magnètic.

Ixes paramagnéticas

El refrigerante que es va propondre al principi va ser una sal paramagnética com el nitrat de magnesi i ceri. Els dipols magnètics actius en este cas corresponen a les capes electròniques externes dels àtoms paramagnéticos.

En un sistema basat en sals paramagnéticas, el decorregut disipador de calor sol ser ⁴He (1.2 K) o ³He (0.3 K) en un criostato. La magnetisació inicial es pot conseguir fàcilment en un camp magnètic d'1 T. La mínima temperatura alcanzable està determinada per les tendències d'auto-magnetisació de la sal refrigerante, pero aixina i tot es poden alcançar temperatures en el ranc d'1 a 100 mK. Els refrigeradores de dilució han substituït durant molts anys als sistemes basats en sals paramagnéticas, pero seguix havent interés en sistemes de chicotet tamany i fàcils d'usar per a laboratoris, per la complexitat i baixa fiabilitat del refrigerador de dilució.

Les sals paramagnéticas es tornen diamagnéticas o ferromagnéticas en el temps, llimitant la mínima temperatura alcanzable per mig d'este método.

Desmagnetización nuclear

Una variant de la desmagnetización adiabàtica que continua tenint aplicació en investigació és la refrigeració per desmagnetización nuclear o RDN. La RDN seguix els mateixos principis, pero en este cas l'efecte prové dels dipols magnètics nuclears en lloc dels electrònics. Estos dipols són de menor magnitut i per lo tant menys susceptibles d'alinear-se, en camps intrínsecs molt menors. Este fet permet que la RDN aplegue a temperatures molt baixes, per baix del microkelvin. No obstant, els dipols magnètics nuclears són menys susceptibles d'alinear-se en camps magnètics externs, requerint-se intensitat de 3 tesla o superiors per a la magnetisació inicial.

En sistemes RDN, el decorregut disipador de calor deu estar a temperatures molt baixes, de 10 a 100 mK. Esta etapa de refredat inicial es conseguix per mig d'un refrigerador de dilució o una sal paramagnética.