海南制冷材料

磁制冷是基于磁热效应的一种制冷技术。你可以想象一块磁性材料在外加磁场作用下，温度发生变化，进而产生冷量。

那么，什么样的材料才会有磁热效应呢？

首先，我们需要了解磁性材料的基本特点。从微观角度来看，磁性材料通常由许多微小的磁性颗粒组成，每个颗粒内部都存在一个磁矩，它是由电子的自旋和轨道角动量决定的。这些颗粒之间的排列常有四种状态，对应四种磁性：铁磁性、亚铁磁性、顺磁性和反铁磁性。

当磁性材料被放置在外加磁场中时，磁矩会重新排列，以适应外加磁场的作用，这个重新排列过程称为磁矩取向。

顺磁性材料是具有自发磁矩的材料，它们的磁矩总是沿着外加磁场方向取向。无外加磁场时，它对外呈现出顺磁性；在外加磁场作用下，它的磁矩沿着外加磁场有序排列，对外呈现出铁磁性。

除了外加磁场，温度也会使磁矩重新排列，大部分磁性材料都是某一温度点之下呈现铁磁性或亚铁磁性，该温度点以上呈现顺磁性。上面提到的这个温度点就是居里温度（Tc），又称为磁性转变点，居里温度点决定了磁性材料所能服役的温区。不同的磁性材料有不同的居里温度点，这使得磁制冷技术应用十分广泛，从室温到极低温都有不同的应用。

磁热效应究竟是如何发生的呢？磁矩取向和热效应又有什么关系呢？它们之间又蕴含着什么科学原理呢？实际上，磁矩的排列就像我们的房间一样，不常收拾就会变得越来越混乱，而在物理学里，有一个用来度量体系混乱程度的物理量，叫作熵。对于一个孤立系统而言，混乱程度越高，熵越高，反之熵越低。

磁性材料主要有两种熵：磁熵和热熵。磁熵是指磁矩的有序无序性；热熵则是指组成物质的分子或原子的振动方式，振动方式越多，越剧烈时，热熵也就越大。这两个熵之和就是磁性材料的总熵。总熵改变时，可能是磁熵或热熵的改变，也有可能两者都在变化；而总熵不变时，并不一定是磁熵和热熵都不变，有可能是一个增大，一个减小。

磁热效应正是通过磁熵和热熵之间的“此消彼长”来实现的。为了保持总熵不变，磁热材料需要处在一个绝热环境中。绝热环境就是整个系统与外界没有热量交换，热量进不来也出不去。此时，给磁性材料施加外磁场时，磁矩排列整齐，磁熵减小，那么热熵就会变大，会放出热量；相反，去掉磁场时，热熵减小，需要吸收热量，这时就起到了制冷的效果。听起来高深莫测的磁制冷，不过是此消彼长的“跷跷板游戏”而已。

高效节能的磁制冷的优势

1）绿色环保。磁制冷不需要使用任何对环境有害的化学物质，这与传统的压缩机制冷方式存在着显著的差异，传统方式需要利用制冷剂来吸收和释放热量，这些制冷剂中包含一些有机氟化物、氨及碳氢化合物，他们有着破坏臭氧层、有毒、易泄漏、易燃、易爆等损害环境的缺陷；

2）高效节能。磁制冷系统通过磁场变化来实现冷却，而不是像传统方式通过机械压缩气体。这意味着磁制冷可以在非常低的温度下运行，并且消耗的能量较少。磁制冷理论效率可达到卡诺循环效率的60～70％，而气体压缩制冷一般为 20～40％。也就是说，在其他条件相同的情况下，磁制冷的耗电量只有传统压缩制冷冰箱的50%左右；

3）稳定可靠。磁制冷不需要气体压缩机，运动部件少，无振动，零噪声，可靠性高，寿命长，便于维修；

正是因为这些优点，磁制冷技术被广泛应用于航空航天、医疗、电子等领域。根据应用温区，磁制冷主要应用于极低温温区（＜1 K，如量子计算等）、低温区（如核磁共振成像、气体液化等）和室温区（如空调、冰箱等）。