Strona głównaPytania → Lodówka magnetyczna?

Lodówka magnetyczna?

Pytanie

Pyta Ola

Jak działają lodówki magnetyczne?

Odpowiedź

Odpowiada Jan Gaj

Słowo „lodówka” kojarzy mi się z chłodzeniem do temperatury kilku stopni Celsjusza. W takim rozumieniu lodówki magnetycznej nie znam. Istnieje natomiast magnetyczna metoda chłodzenia, która jest najskuteczniejsza w temperaturach o wiele niższych, rzędu ułamka kelwina. Polega ona na adiabatycznym rozmagnesowaniu paramagnetyka.

Wyjaśnienie: Aby zrozumieć, jak działa chłodzenie przez rozmagnesowanie, trzeba zacząć od przypomnienia kilku faktów.

1. Temperatura jest miarą chaotycznego ruchu mikroskopowych elementów materii – atomów, cząsteczek itp., a ściślej energii kinetycznej tego ruchu.

2. Paramagnetyk zawiera mikroskopowe elementy posiadające znaczący moment magnetyczny. Stanowią one maleńkie magnesiki, które mogą dość niezależnie się ustawiać.

3. W silnym polu magnetycznym momenty magnetyczne w paramagnetyku ustawiają się w tym samym kierunku (wzdłuż pola), tym łatwiej im niższa temperatura. W temperaturze jednego kelwina do kompletnego uporządkowania takich momentów magnetycznych wystarczą łatwo dostępne w laboratorium pola o indukcji kilku tesli.

4. W paramagnetyku na chaotyczny ruch cieplny składają się drgania jego atomów (ruch postępowy) oraz chaotyczne zmiany kierunku jego mikroskopowych momentów magnetycznych.

Uzbrojeni w tę wiedzę możemy opisać proces chłodzenia przez rozmagnesowanie.

1. Jeżeli paramagnetyk ochłodzony do temperatury powiedzmy 1 K umieścimy w polu magnetycznym, jego momenty magnetyczne ustawią 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!

2. 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.

3. Teraz 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!

4. Uwaga: wyłączenie pola musi się odbyć adiabatycznie, to znaczy bez kontaktu z czynnikiem chłodzącym o temperaturze 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.

A co z lodówką? W zasadzie taka procedura mogłaby być wykorzystana do chłodzenia od temperatury pokojowej, jednak według mojej wiedzy dotychczas nikomu nie udało się lodówki magnetycznej zbudować, choć badania w tym kierunku są prowadzone. Więcej na ten temat można przeczytać po angielsku w Wikipedii pod hasłem „magnetic refrigeration”.