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利用热珀尔帖效应降低温度

www.bysj580.com / 2016-12-17
利用热珀尔帖效应降低温度
1.热电制冷
1834年,珀尔帖发现当电流通过两种不同金属组成的电路时,一个接点变冷另一个则变热。塞贝克效应和珀尔帖效应是相逆的。如果两种不同的金属(或金属和半导体)连接且保持在不同的温度下,则电路中只产生一个电动势。这就是电路构成热电偶的赛贝克效应。
     珀尔帖效应就是热电制冷的工作原理。其影响是可逆的,即改变当前的状态使冷端变为热端、热端变为冷端。金属-半导体连接比金属-金属连接产生更大的温差。N型半导体相对于P型半导体产生相反意义上的温差。珀尔帖效应元件由许多这样的接点使N型和p型半导体交替串联。
     热电制冷的原理如图4-1所示。两种不同材料的A棒和B棒,加入到完成温度为Tc冷却任务的金属板。一个在Tc低温下的热交换器,从被冷却的某物体吸收热量Qc。棒A和棒B的另一端分别放置与温度TH的热交换器热接触并通电连接到直流电源的两极。如果电流I通过电路,冷端会在Tc温度下吸收热量Qc,并在温度TH时释放一个实用性的热电冷却器由几个不同半导体材料模块电串联、热平行连接组成。没有压缩机也不涉及任何流体流动。热电冷却器拥有紧凑、简单、安静、可靠的优点。其制冷量仅仅由直流电源的输入电压控制。然而与蒸汽压缩制冷相比热电制冷效率是很低的。目前热电制冷主要应用在需要小型制冷负荷的受限空间的特殊情况,例如,热量计、CPU冷水器、冷水机、除湿机、冰箱的药物、啤酒、化妆品、小型冷藏车,小型激光冷却器和红外设备和传感器、电子开关板冷却和航空黑盒冷却和许多其它工具。热电制冷的未来应用主要取决于热电材料的全面开发,稍后将在本节中展示。
4.zT值很高的新热电材料
碲化铋已经被用于商业热电冷却器模块超过40年。许多研究人员这么长时间没有提高优值系数,他们开始怀疑zT值达到1是一个自然极限。
    如果无量纲值zT可以达到3或者以上,那么热电冰箱将有很多潜在的应用程序。对于用热电材料替换标准冰箱的压缩机,热电材料的优质系数要达到4或5。汽车热电系统材料的zT值至少达到2。
    1995年,美国国防高级研究计划局(DARPA)发起一个推进热电材料和设备发展的计划。这个项目的目标是使热电材料的优质系数增长到四倍。从那时起已经有了一些进展预示或证明实现更高zT值的潜力
自2000年以来一些特殊的技术已经被用于创造高价值的新材料,如准晶体;由直径9和15纳米的铋纳米线构成的量子点超晶格;半导体薄膜构成所谓的电子只能在其中一个封闭层移动的量子阱。(6、7)
    许多新的可用的zT值大于3的热电材料势必出现在我们日常生活中广泛应用的热电制冷技术中。
4 - 2利用磁热效应(绝热去磁)降低温度
1.磁热效应
磁热效应(MCE)或热磁效应,由埃米尔华宝在1881年发现,是一种顺磁物质经过绝热退磁时温度下降的效应。顺磁物质含有有未配对电子的分子或原子,从而产生磁矩。顺磁物质被视为具有随机取向的磁偶极子的组装。
    在绝热去磁制冷时,顺磁盐放置在电磁铁的两极之间。因此当电源有磁电力时顺磁盐受到外部磁场作用,导致顺磁盐原子的磁偶极子对齐并释放热量。等温磁化过程中热量同时转移。关掉电源随后顺磁盐被热隔离且退磁。在绝热去磁过程中,顺磁盐是绝热冷却的。绝热去磁是一个已用于生产温度接近绝对零度的过程。
磁热效应可以定性地理解为一个熵(阻隔)的测量与旋转的晶格 (磁性原子)之间的交互、墒与晶格中原子的热运动有关。当受到磁场作用时材料会被加热,因为热力学第二定律表明熵——或者无序混乱——在一个封闭的系统中随着时间而增加。由于地球磁场,材料原子中的电子自旋磁场一致,这样减少了熵,为了弥补这个损失,原子的运动变得更随机,因此,材料的温度增加。然后带走热量。当磁场关闭时,电子自旋再次变为随机的,该材料的温度下降到周围环境温度以下。
如第二章所示,热力学第三定律指出,如果能达到绝对零度,所有物体都有相同的熵。换句话说,一个系统在绝对零度时只能存在于一个可能的状态,且具有一定的能量,称为零点能量。这种状态被定义为零熵。
冷却绝热去磁原理的墒-温度图如4-5所示。在初始温度Ti的等温条件下磁场强度从BL变化到BH,该材料遵循X一Y的过程。为保证这一过程等温进行,磁化产生的热量必须同时转移,例如,通过保持材料与恒温浴的良好热接触。获得稳定条件后,从材料转移到恒温浴室的热量减少,即该材料是绝热的。在Y--Z过程中磁场强度由BH减少到BL,这是一个绝热去磁过程。该材料的温度由Ti降低到Tf。
2.低温下的磁制冷(<1K)
1926年,吉奥克和德拜各自独立提出用绝热去磁方法获得非常低的温度。1933年吉奥克用这种方法获得0.25K的低温。绝热去磁有两种方法,一个是电子自旋,另一个是核自旋。

(A) 顺磁盐电子自旋等熵退磁制冷
(B) 铜核自旋等熵退磁制冷
图4-6(A)显示顺电子等熵退磁系统。磁化时用于冷却顺磁性盐的横温槽是一个充满4He的解压液体浴室。通过氦气使顺磁盐与4He液体浴室完成热量的转移。当气态氦排出时,完成保温条件。当磁场使用普通电动磁铁时,温度从1.2K下降至几mK。
    绝热去磁一直是获得极低温度的主要技术。这是一个例子。1956年,李、杨阐释了弱相互作用的描述,这与平价作用相悖违(T.D.李和C.N.杨,弱相互作用中的宇称守恒问题,物理。104,254 - 258年,1956年),后来此理论被授予诺贝尔奖。
1957年,吴和她的合作者通过观察- -decay极化样本60C0放射性核的不守恒性成功地论证了此理论(C. S.吴和其他人在衰变宇称守恒的实验测试,物理。105,1413 – 1415,1413,1957年)。吴的实验通过冷却60C0顺磁晶体至0.003 K以下的低温获得成功。在此试验中,60C0放置在铈硝酸镁(复合材料)单晶薄层中。通过使用强度大约2.3 T的磁场(23千高斯)绝热去磁过程获得冷却至低温所必须的核排列。这个过程涉及等温磁化和随后顺磁盐的等熵退磁,复合材料支持60C0标本。通过氦气作为 “交换气体”转移磁化产生的热量。通过泵出交换气体对标本热隔离,退磁后温度下降至约0.003 K。
另一种达到1K以下温度的方法是稀释冷却法,1951年吴的合作者发明了此方法。3He和4He混合可以产生mK级的低温,如第二章所示。
     然而为了获得温度远低于mK级的低温,核自旋退磁冷却是唯一可行的选择。图4-6(B)显示铜核自旋退磁系统。mK级的恒温槽用于冷却铜的磁化,3He和4He混合在10mK的低温,用真空液态氦浴作预冷却。用热超导开关控制铜和混合室之间的热量转移。当热控开关打开时,完成保温条件。当磁场使用超导磁体时,温度由mK级降低至μK级甚至更低。
3.室温磁制冷
前者类型的磁性冰箱利用一次性绝热过程方法达到0K,磁热效应的跨度通常不到1摄氏度;因此,绝热去磁主要被用于一个纯粹的科学目标。
    为了在日常生活中使用磁热效应,比如食品冰箱和空调,第一件事是室温状态下使用相对较弱的磁场获得高磁热效应。
    众所周知,温度越高,晶格振动产生的能量越多。因此,当温度高于20K时,基于顺磁盐的冷却退磁方法不再有效。为此,铁磁体(铁磁物质)被用来取代顺磁盐。含有大量活泼磁化极的铁磁体可以被弱磁场磁化。
钆(Gd),一种稀土材料,表现出强大的磁场效应,使室温附近的温度转变。除了钆,其他材料也表现出这种效果(包括合金钆),这些材料过渡温度覆盖的范围通常与传统制冷之间有关系。
1997年,Pecharsky和Gschneidner研究了钆合金的热容变化如图4-7所示。发现有两种磁结构转变发生。一个是一级结构转变,第一部分推导出自由焓相对于温度是不连续的,热容是无限的,只要两个阶段共有一转变温度,从铁磁体(II)到铁磁(I)的转变温度是276K。另一个是二阶结构转变,第二部分推导出吉布斯自由能相对于温度是不连续的,热容变化的斜率在转变温度处是不连续的,从铁磁体(I)到顺磁体的转变温度是299K。他们还发现Gd5在室温时具有比纯Gd更高的 和 ,如图4-8所示。
因此磁致热材料可分为两种类型:一种被称为传统热磁材料,在转变温度处经历了一个二阶相变;另一种被称为高能热磁材料,在转变温度处经过了一阶相变。
    传统的热磁材料在低温区域具有相对较高的值,它已应用于低温领域。在大约300K的室温下,即使对于钆,值也相当低。然而高能热磁材料在室温时却论证出了相当高的值,如图4-9所示。
高能热磁材料的发现在磁制冷领域是一项革命性的活动,激发了科学家开发用于日常生活的热磁制冷技术。
    国际制冷学会(IIR)在2005年和2007年分别组织了“室温磁制冷国际会议”。在过去的几年里,一个工作旨在为主动磁回热器循环努力。在主动磁回热器循环中,磁性材料同时用作再生器,因此磁冷却装置的性能可以大大改善。另一个工作是保证制冷的持续循环。世界上几个团队正在对磁制冷冰箱和空调的应用工作。自从原理验证阶段使磁制冷具有如此吸引力以至于巨大的商业化利益,它在世界各地快速增长。
4 – 3用图中方法降低温度
本节有两个内容
用激光光束冷却原子达到10-8K的低温;
用包括anti-Stockes荧光制冷的激光技术冷却固体,使之在通常的温度区域内冷却。
1.用激光冷却原子的图片
温度是衡量组成一种物质的分子、原子的动能的一项措施。在极低的温度时分子的热运动已经停止,如果物质的原子热运动可以减减缓或者几乎停止,此时该物质将达到接近绝对零度。
    物理学家花费相当长一段时间才弄清楚如何做到减缓热运动。激光含有一连串的光子流。与原子相比,一个光子的能量很小;光子与原子相比就像乒乓球与保龄球相比。但同样的方式我们可以摆出一个保龄球,如果你用一个足够大的乒乓球流撞击保龄球,就可以通过反射的激光推动原子。并且试着调整激光功率和激光照射的位置能够减缓原子的热运动。
 
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