磁-光效應(yīng)

磁卡效應(yīng)（magnetocaloriceffect）順磁與鐵磁性物質(zhì)在外磁場的作用下，磁矩由雜亂變?yōu)橛行?，原子磁矩之間及與外磁場之間的相互作用能降低，它的磁熵減小，排出熵的過程也就是放熱的過程。反之，在取消磁場的過程中，磁性物質(zhì)的磁矩由有序而變?yōu)殡s亂，從外界吸收能量，磁熵增加，在系統(tǒng)絕熱的情況下則磁性物質(zhì)本身降溫。這種由外磁場變化而引起磁性物質(zhì)放熱或吸熱的現(xiàn)象稱為磁卡效應(yīng)。

外斯(Weiss)和皮卡德(Piccard)于1918年首先觀察到， 當(dāng)磁化場突然增大到0.8～1.6MA/m時，鐵磁體 (Ni或Fe)的溫度將上升1～2℃。磁卡效應(yīng)產(chǎn)生的 原因是：設(shè)想當(dāng)鐵磁體被加熱時，各個原子的自旋將吸收一部分熱量使它們平行排列的有序程度下降； 因此如果突然加一強磁場使各個自旋平行排列的有序程度增加，則必然放出熱量，因為是絕熱過程，故磁體的溫度上升。由于磁卡效應(yīng)是通過自旋排列的有序程度變化而產(chǎn)生的，可知此效應(yīng)在居里點附近最為顯著，這是因為在居里點附近加一定磁場可使磁化強度有較大的增加。相反，如果在一定溫度下 突然去掉外加的磁化場，將使磁體的溫度下降。因 此利用這一效應(yīng)可以實現(xiàn)磁致冷。 2100433B

磁熱效應(yīng)是指在絕熱條件下磁性物質(zhì)被外磁場磁化時所發(fā)生的溫度變化。但狹義地應(yīng)用于鐵磁物質(zhì)時，磁熱效應(yīng)是指弱磁場或中等磁場磁化時因磁疇結(jié)構(gòu)變化，伴隨發(fā)生的溫度變化，而磁致溫差效應(yīng)則指加強磁場時由于自發(fā)磁化強度被強制增大，伴生的溫度變化。

磁化使磁性體內(nèi)平行的元磁體(如自旋)數(shù)量增多。結(jié)果，交換作用能和外磁場中的靜磁能降低. 由于磁化是在絕熱條件下進(jìn)行的，降低了的那部分能量必轉(zhuǎn)化為元磁體的熱能. 這些熱能又通過元磁體與點陣的耦合(如自旋-點陣或軌道-點陣)使整個磁性體的溫度上升。反之，絕熱地撤去磁場，平行排列的元磁體的數(shù)量將突然減小，因而元磁體的熱能減小，使磁性體變冷。

在弱磁場和中等磁場下，磁化過程通常包含疇壁位移過程和轉(zhuǎn)動過程，分別又有可逆過程和不可逆過程之分，情況相當(dāng)復(fù)雜。所以，至今尚無完善的磁熱效應(yīng)理論來對實驗結(jié)果作深入的定量分析。

基于“磁熱效應(yīng)”（MCE）的磁制冷是傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)制冷技術(shù)的一種有希望的替代方法。在有這種效應(yīng)的材料中，施加和除去一個外加磁場時磁動量的排列和隨機化引起材料中溫度的變化，這種變化可傳遞給環(huán)境空氣中。Gd5Ge2Si2是其中一種所謂的巨型MCE材料，當(dāng)在上個世紀(jì)90年代后期被發(fā)現(xiàn)時曾引起人們很大興趣。該化合物作為制冷物質(zhì)有一個缺點：當(dāng)在該材料表現(xiàn)出大的磁熱效應(yīng)的溫度范圍內(nèi)循環(huán)其磁化時，它會因磁滯現(xiàn)象而損失大量能量。但是，研究人員找到了克服這一問題的一個簡單方法。只是通過添加少量鐵，就可將磁滯現(xiàn)象減少90%，所獲得的合金成為一種性能得到很大改善的制冷物質(zhì)，可在接近室溫的環(huán)境下應(yīng)用。

在日常生活中，我們通常使用空調(diào)、冰箱和冰柜來制冷，但它們都需要能量驅(qū)動，所消耗的電能占到美國家庭耗電量的1/3。而一項依賴于磁體的全新制冷技術(shù)，能顯著降低這部分能耗。

大多數(shù)商業(yè)化制冷機，都是通過反復(fù)壓縮和膨脹氣體或液體制冷劑來制冷。隨著制冷劑的循環(huán)，能將熱量從房間或設(shè)備中吸出帶走。然而，壓縮機的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷氣體泄漏出去的話，它們的每一個分子對大氣層的加熱效率要比一個二氧化碳分子至少高1 000倍。

美國宇航公司(Astronautics Corporation of America)的研究人員正在研發(fā)一種不使用壓縮機，而是基于磁體的新型制冷機。從某種程度上來說，所有磁性材料都會在被置入磁場后升溫，在移出磁場后降溫，這一特性被稱為“磁致熱效應(yīng)”(magnetocaloric effect)。原子通過自身振動貯存能量；而當(dāng)外加磁場將金屬中的電子有序排列，并阻止它們自由移動時，金屬原子的振動就會加強，溫度隨之增加。移除磁場后，溫度則會降低。雖然這一效應(yīng)早在1881年就被發(fā)現(xiàn)，但它的商用價值卻一直被人忽視。這是因為，從理論上來說，只有在極低的溫度下使用超導(dǎo)磁體，才能將這種效應(yīng)最大化到產(chǎn)生可利用的效果。然而在1997年，美國能源部愛艾姆斯實驗室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)，一種由釓、硅和鍺構(gòu)成的合金能在室溫下顯示出巨大的磁致熱效應(yīng)。自那時起，美國宇航公司還陸續(xù)把注意力集中在具有同樣性質(zhì)的其他合金上。

美國宇航公司正在設(shè)計一種空調(diào)，目標(biāo)是為面積約100平方米的公寓或住宅制冷。這種空調(diào)里有一個小而平的、由某種此類合金制成的多孔楔形體構(gòu)成的圓盤。在圓盤兩側(cè)，固定著一個環(huán)形永磁體。磁體中空，里面分布著強磁場。當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，每一個磁致熱楔形體會通過這個通道而升溫，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)出磁場范圍而冷卻。在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)的液體被這些旋轉(zhuǎn)的楔形體反復(fù)加熱和冷卻，冷卻后的液體就能從房間中吸走熱量。精心設(shè)計的磁體能夠防止磁場從設(shè)備中溢出，所以它不會影響到附近的電子儀器或人身上的心臟起搏器。

在傳統(tǒng)制冷機中，核心部件是壓縮機。而在磁體制冷機中，核心部件是帶動圓盤旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)，而馬達(dá)通常要比壓縮機的能量效率高得多。美國宇航公司的目標(biāo)是在2013年制造出一臺原型機，能在達(dá)到同樣制冷能力的情況下將耗電量降低1/3。磁體制冷機還有一個額外的顯著優(yōu)點：它只是用水來輸送熱量，“你沒法找到比水更環(huán)保的材料了，”美國宇航公司技術(shù)中心經(jīng)理史蒂文·雅各布斯(Steven Jacobs)說。

但是別說把這項技術(shù)實際應(yīng)用于冰箱和冰柜，即便是僅僅制作一臺原型機，也需要跨過許多障礙。首先，如何控制水流通過多孔的楔形體就是個棘手的問題，因為圓盤要以每分鐘360~600轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)。此外，磁體由一種昂貴的釹—鐵—硼合金制成，因此，如果要想商業(yè)化生產(chǎn)，在仍能保持提供足夠強磁場的前提下盡可能小型化也是必要的。正如加拿大維多利亞大學(xué)(University of Victoria)的機械工程師安德魯·羅(Andrew Rowe)所說：“這是一項高風(fēng)險技術(shù)，但它有巨大的應(yīng)用潛力，而且就其突出的性能而言，也值得去努力。”

研究人員還在試驗其他一些特殊制冷技術(shù)。美國Sheetak公司，正在研發(fā)一種完全不使用制冷劑的制冷設(shè)備，它依賴于一種所謂的“熱電材料”(thermoelectric material)，基于帕爾特效應(yīng)開發(fā)的熱電半導(dǎo)體制冷芯片，接通直流電后，芯片的一面變冷，另一面變熱。不管怎樣，降低燃料消耗和減少溫室氣體排放總會為我們帶來一個清涼的世界。