Efeito magnetocalórico

Efeito magnetocalórico (EMC) é um fenômeno que consiste nas mudanças reversíveis de temperatura de um corpo resultantes de mudanças na sua magnetização.[1]

DescriçãoEditar

É um fenômeno termomagnético caracterizado por uma mudança na temperatura de um material magnético quando este é colocado ou retirado da influência de um campo magnético. Esse efeito é intrínseco a todos os materiais magnéticos, sendo mais intenso nas vizinhanças de transições de fase magnéticas, especialmente as de primeira ordem, pois, neste caso, as variações de entropia são mais intensas.

Um dos exemplos mais notáveis ​​do efeito magnetocalórico está no elemento químico gadolínio e algumas das suas ligas. A temperatura do gadolínio aumenta na presença de um campo magnético; quando ele sai do campo, a temperatura cai. O efeito é consideravelmente mais forte para a liga  .[2] Liga de Praseodímio com níquel   tem um tal efeito magnetocalórico forte que permitiu que os cientistas se aproximar para dentro de um milliKelvin, um milésimo de grau de zero absoluto.[3]

Compostos intermetálicos da família RTX (R = terra rara e X = elemento do bloco p da tabela periódica) tem despertado interesse. Os compostos desta família podem apresentar ordenamento magnético em uma ampla faixa de temperatura, variando de baixíssimas temperaturas, até temperaturas acima da ambiente.[4][5][6][7]

EquaçãoEditar

O efeito magneto pode ser quantificado com a equação abaixo:

 

onde   é a temperatura,   é o campo magnético aplicado,   é a capacidade térmica do magneto (refrigerante) e   é a magnetização do refrigerante.

Da equação podemos ver o efeito magnetocalórico pode ser alcançado através de:

  • aplicação de um grande campo
  • usando um imã com uma pequena capacidade de calor
  • utilizando um imã com uma grande alteração na magnetização versos temperatura, a um campo magnético constante

Materiais trabalhadosEditar

 
Representação esquemática do efeito magnetocalórico em uma liga de gadolínio na presença de um campo magnético.

O efeito magnetocalórico é uma propriedade intrínseca de um sólido magnético. Este comportamento térmico de estado sólido para a aplicação ou remoção de campos magnéticos é maximizado quando o sólido é perto da sua temperatura de ordenação magnética.

As magnitudes da entropia magnética e as mudanças de temperatura adiabática são fortemente dependentes do processo de ordem magnética: a magnitude é geralmente pequena em antiferromagneto, ferromagnéticos e sistemas de vidro de spin; ele pode ser substancial para ferromagnéticos normais que sofrem uma segunda ordem de transição magnética; e é geralmente maior para ferromagnetos que se submetem a uma primeira transição magnética ordem.

Além disso, campos elétricos cristalinas e de pressão pode ter uma influência substancial sobre a entropia magnética e mudanças de temperatura adiabática.

Atualmente, ligas de gadolínio produzindo 3 - 4 K por tesla   de mudança de um campo magnético pode ser utilizada para refrigeração magnética.

Pesquisas recentes sobre os materiais que apresentam uma variação de entropia gigante mostrou que as ligas de   e   , Por exemplo, são alguns dos mais promissores substitutos para gadolínio e suas ligas -  , etc. Estes materiais são chamados de Materiais de grande efeito magnetocalórico (MGEM). Gadolínio e suas ligas são os melhores materiais conhecidos para refrigeração magnética em temperatura ambiente, uma vez que eles passam por transições de fase de segunda ordem que não têm nenhuma histerese magnética ou térmica.[8] No entanto, os materiais, tais como a substituição   pelos os metais de terras raras tem a vantagem de custo distinta. O desenvolvimento desta tecnologia depende muito do material e provavelmente não irá substituir a compressão de vapor para a refrigeração, sem importantes melhorias nos materiais que são o custo, abundância e apresentarem maiores efeitos magnetocalóricos em uma faixa maior de temperaturas. Tais materiais devem mostrar as mudanças de temperatura significativas sob um campo de dois tesla ou menos, de modo que os magnetos permanentes podem ser utilizados para a produção do campo magnético.[9][10]

Sais paramagnéticosEditar

O refrigerante original proposto foi um sal paramagnético, como nitrato de cério e magnésio. Os dipolos magnéticos ativos, neste caso, são os de conchas de elétrons dos átomos paramagnéticos. Em um ADR sal paramagnética, o dissipador de calor é normalmente fornecido por um bombeado   (sobre 1.2 K ) ou   (sobre 0.3 K ) ao criostato . Um facilmente atingível 1 T de campo magnético é geralmente necessária para a magnetização inicial. A temperatura mínima atingível é determinada pelas tendências auto-magnetização do sal de refrigerante, mas as temperaturas de 1 a 100 mK são acessíveis. Refrigeradores de diluição teve por muitos anos suplantaram ADRs sal paramagnéticos, mas interesse e simples de usar lab-ADRs espacial manteve-se, devido à complexidade e falta de fiabilidade do refrigerador de diluição.

Eventualmente sais paramagnéticas tornar ou diamagnético ou ferromagnético, o que limita a temperatura mais baixa que pode ser atingida utilizando este método.

Desmagnetização nuclearEditar

Uma variante de desmagnetização adiabática que continua a encontrar aplicação substancial de investigação é a refrigeração desmagnetização nuclear (NDR). NDR segue os mesmos princípios, mas, neste caso, a energia de arrefecimento surge a partir da dipolos magnéticos dos núcleos dos átomos de refrigerante, em vez das suas configurações electrónicas. Uma vez que estes são dipolos de magnitude muito menores, que são menos propensas a auto-alinhamento e têm campos mínimos inferior intrínsecas. Isto permite NDR arrefecer o sistema de spin nuclear para temperaturas muito baixas, frequentemente 1 μK ou abaixo. Infelizmente, as pequenas magnitudes de dipolos magnéticos nucleares também os torna menos inclinados a alinhar a campos externos. Os campos magnéticos de 3 teslas ou maiores são muitas vezes necessários para a etapa de magnetização inicial do NDR.

Em sistemas NDR, o dissipador de calor inicial deve sentar-se a temperaturas muito baixas (10-100 MK). Este pré-arrefecimento é frequentemente fornecida pela câmara de mistura de um refrigerador de diluição ou um sal paramagnética.

HistóriaEditar

O efeito foi descoberto usando ferro em 1881 pelo físico alemão Emil Warburg. Originalmente, o efeito de resfriamento variou entre   a  .

Grandes avanços apareceu pela primeira vez no final de 1920, quando de refrigeração através de desmagnetização adiabática foi proposta independentemente por Peter Debye em 1926 e ganhador do prêmio Nobel de Química William F. Giauque em 1927.

Ele foi primeiramente demonstrada experimentalmente por Giauque e seu colega DP MacDougall, em 1933, para fins de criogênicos quando chegaram a  .[11] Entre 1933 e 1997, os avanços na MCE resfriamento ocorreu.[12]

Em 1997, a primeira prova perto de temperatura ambiente do conceito de refrigerador magnético foi demonstrada por Karl A. Gschneidner, Jr. pela Iowa State University em Ames Laboratory. Este evento atraiu o interesse de cientistas e empresas em todo o mundo, que começou a desenvolver novos tipos de materiais temperatura ambiente e projetos de geladeira magnéticos.[2]

Um grande avanço veio de 2002, quando um grupo da Universidade de Amsterdam, demonstraram o efeito magnetocalórico gigante nas ligas de   que são baseados em materiais abundantes.[13]

Refrigeradores baseados no efeito magnetocalórico demonstrado em laboratório, utilizando campos magnéticos a partir de   até  . Os campos magnéticos superiores a   são difíceis de produzir com ímãs permanentes e são produzidos por um ímã supercondutor (  é de cerca de   vezes o campo magnético da Terra).

Ver tambémEditar

Referências

  1. «RODITI, ITZHAK, Instituto Antonio Houaiss / Dicionário Houaiss de física, editora Objetiva.» (livro). editora Objetiva. Consultado em 14 de dezembro de 2011 
  2. a b Karl Gschneidner, Jr. and Kerry Gibson (7 de dezembro de 2001). «Magnetic Refrigerator Successfully Tested». Ames Laboratory News Release. Ames Laboratory. Consultado em 17 de dezembro de 2006. Arquivado do original em 23 de junho de 2013 
  3. Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. [S.l.]: Oxford University Press. p. 342. ISBN 0-19-850341-5 
  4. Gondek, Ł.; Szytuła, A.; Kaczorowski, D.; Nenkov, K. (junho de 2007). «Electronic structure and magnetism of RPdIn compounds (R=La, Ce, Pr, Nd)». Solid State Communications. 142 (10): 556–560. ISSN 0038-1098. doi:10.1016/j.ssc.2007.04.015 
  5. França, E.L.T.; dos Santos, A.O.; Coelho, A.A.; da Silva, L.M. (março de 2016). «Magnetocaloric effect of the ternary Dy, Ho and Er platinum gallides». Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 401: 1088–1092. ISSN 0304-8853. doi:10.1016/j.jmmm.2015.10.138 
  6. dos Reis, D.C.; França, E.L.T.; de Paula, V.G.; dos Santos, A.O.; Coelho, A.A.; Cardoso, L.P.; da Silva, L.M. (fevereiro de 2017). «Magnetic and magnetocaloric properties of DyMn 2 Si 2 compound with multiple magnetic phase transition». Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 424: 84–88. ISSN 0304-8853. doi:10.1016/j.jmmm.2016.10.019 
  7. Pecharsky, V.K.; Gschneidner, K.A. (março de 1997). «Effect of alloying on the giant magnetocaloric effect of Gd5(Si2Ge2)». Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 167 (3): L179–L184. ISSN 0304-8853. doi:10.1016/s0304-8853(96)00759-7 
  8. Song, Ning-Ning; Ya-Jiao (26 de julho de 2013). «Integrating giant microwave absorption with magnetic refrigeration in one multifunctional intermetallic compound of LaFe11.6Si1.4C0.2H1.7». Scientific Reports (em inglês). 3. PMID 23887357. doi:10.1038/srep02291 
  9. GschneidnerJr, K A; V K. «Recent developments in magnetocaloric materials». Reports on Progress in Physics. 68 (6): 1479-1539. doi:10.1088/0034-4885/68/6/r04 
  10. Pecharsky, Vitalij K.; Karl A. (1 de outubro de 1999). «Magnetocaloric effect and magnetic refrigeration». Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 200 (1–3): 44-56. doi:10.1016/S0304-8853(99)00397-2 
  11. Giauque, W. F.; MacDougall, D. P. (1933). «Attainment of Temperatures Below 1° Absolute by Demagnetization of Gd2(SO4)3·8H2O». Phys. Rev. 43 (9): 768. Bibcode:1933PhRv...43..768G. doi:10.1103/PhysRev.43.768 
  12. Gschneidner, K. A. Jr.; Pecharsky, V. K. (1997). Bautista, R. G.; et al., eds. Rare Earths: Science, Technology and Applications III. Warrendale, PA: The Minerals, Metals and Materials Society. p. 209 
    Pecharsky, V. K.; Gschneidner, K. A. Jr. (1999). «Magnetocaloric Effect and Magnetic Refrigeration». J. Magn. Magn. Mater. 200 (1–3): 44–56. Bibcode:1999JMMM..200...44P. doi:10.1016/S0304-8853(99)00397-2 
    Gschneidner, K. A. Jr.; Pecharsky, V. K. (2000). «Magnetocaloric Materials». Annu. Rev. Mater. Sci. 30 (1): 387–429. Bibcode:2000AnRMS..30..387G. doi:10.1146/annurev.matsci.30.1.387 
    Gschneidner, K. A. Jr.; Pecharsky, V. K. (2002). Chandra, D.; Bautista, R. G., eds. Fundamentals of Advanced Materials for Energy Conversion. Warrendale, PA: The Minerals, Metals and Materials Society. p. 9 
  13. Tegus, O.; Brück, E.; de Boer, F. R.; Buschow, K. H. J. (2002). «Transition-metal-based magnetic refrigerants for room-temperature applications». Nature. 415 (6868): 150–152. Bibcode:2002Natur.415..150T. doi:10.1038/415150a 

BibliografiaEditar

  1. Trevizoli, P.V.; Alves, C.S.; Mendes, M.A.B.; Magnus, A.; GAMA, S. , A influência da pressão de compactação sobre as propriedades magnéticas e estruturais da Liga de   obtida por metalurgia do pó doi:10.1590/S1517-70762008000100015
  2. Lluís Mañosa, David González-Alonso, Antoni Planes, Erell Bonnot, Maria Barrio, Josep-Lluís Tamarit, Seda Aksoy, Mehmet Acet, Giant solid-state barocaloric effect in the Ni-Mn-In magnetic shape-memory alloy, Nature Materials 2010 doi:10.1038/nmat2731 Ver Artigo (em inglês)
  3. A.M. Tishin, Y.I. Spichkin, The Magnetocaloric Effect and its Applications , CRC Press, 2003 ISBN 1-420-03337-9 (em inglês)
  4. Frank Pobell, Matter and Methods at Low Temperatures, Springer Science & Business Media, 2007. ISBN 3-540-46360-7. (em inglês)
  5. K.H.J. Buschow, Handbook of Magnetic Materials, Volume 17, Elsevier, 2007 ISBN 0-080-55386-9 (em inglês)
  6. GaoFeng Wang, Magnetic and Calorimetric Study of the Magnetocaloric Effect in Intermetallics Exhibiting First-order Magnetostructural Transitions , Universidad de Zaragoza, 2012 ISBN 8-415-53829-4 (em inglês)
  7. Kurt Engelbrecht, A Numerical Model of an Active Magnetic Regenerator Refrigerator with Experimental Validation, ProQuest, 2008 ISBN 0-549-63400-2 (em inglês)
  8. Nagaiyar Krishnamurthy, Chiranjib Kumar Gupta, Extractive Metallurgy of Rare Earths, CRC Press, 2004 ISBN 0-203-41302-4 (em inglês)

Ligações externasEditar

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