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理论称磁铁可作为无线冷却剂

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理论称磁铁可作为无线冷却剂

发布日期:2016-03-27 点击:

科 学日报报道,据美国麻省理工学院的研究学者提出的一项最新理论,聚集在冰箱表面的磁铁冰箱贴有朝一日可以被用作冷却剂。这一理论描述了磁子的运动,磁子是 磁铁的准粒子,是磁矩的集体旋转,或者称“自转”。除了磁矩,磁子还能导热,利用他们提出的方程式,麻省理工学院的研究学者发现当暴露在磁场梯度下,磁子 可能会从磁铁的一端转移到另一端,携带热并产生冷却效应。

最新理论预测磁铁可以作为无线冷却剂

“你可以从一端抽热至另一端,因此本质上来说你可以将磁铁当做冰箱,”美国麻省理工学院机械工程学院的研究生廖柏林(Bolin Liao)这样说道。“你可以想象一下无线冷却的应用情景,例如在电脑一两米远处的磁铁加一个磁场以实现对电脑的冷却。”

理论上来说,这个磁场驱动的冰箱并不需要移动部分,和传统的冰箱不同,后者需要通过一系列管子抽取流体以实现冷却。廖和另一名研究生周家伟(Jiawei Zhou)以及MIT机械工程学院院长陈刚(Gang Chen)将这些有关磁子冷却理论的文章发表在期刊《物理评论快报》上。

“现在人们有了一个新的理论以研究磁子在共存场和温度梯度下是如何移动的,”廖说道。“这些方程式是磁子传输的根本。”

冷却效应

在一个铁磁物质里,局域磁矩可以在不同方向上旋转和对齐。在绝对零度,局域磁矩会对齐以产生磁铁里最强的磁力。随着温度逐渐上升,磁铁变得越来越弱,因为越来越多局域磁矩会旋转离开对齐线,逐渐升高的温度就产生了磁子集。

磁子在很多方面都类似电子,它们都能够带电并导热。电子会对电场或者温度梯度做出回应——这个现象被称为热电效应。近些年科学家们调查了这种效应的各种应用,例如热电发电机,它可以将热直接转化为电,或者无需任何移动部件而实现冷却效应。

廖和他的同事在磁子里识别了一种相似的“耦合”效应,它能够针对两种力做出反应:温度梯度或者磁场。由于在这方面磁子和电子的行为非常相似,基于热电学里广泛接受的电子传输方程式——波兹曼传输方程式,研究人员提出了磁子传输的理论。

根据这一方程式的衍生,廖、周和陈提出了描述磁子传输的两个新方程式。利用这些新方程式,他们预测了一个新的磁子冷却效应,类似于热电冷却效应,也即磁子在磁场梯度下会携带热从磁铁的一段传输到另一端。

刺激新的实验

廖利用常见磁场绝缘体的特性,对磁子冷却效应在现存磁场材料里是如何工作的进行了建模。他从之前的文献里收集了这种材料的数据,然后将这些数据输入最新的模型。他们发现这个材料的确能够针对适度的磁场梯度产生冷却效应,虽然这种效应非常小,但这种效应在低温时非常显著。

理论结果表明磁子冷却效应的第一批应用或可以帮助某些项目的科学家,那些项目要求超低温条件下的无线冷却。“在这个阶段,潜在的应用是低温学——例如,冷却红外探测器,”陈说道。“然而,我们仍需要实验性的证明这种效应并寻找更好的材料。我们希望这能鼓励出新的实验。”

美国德州大学奥斯汀分校的机械工程学教授施历(Li Shi)表示,研究小组确定的磁场冷却效应是“用于研究旋转和热量之间耦合的极其有用的理论框架,它能潜在的刺激将磁子用作固态制冷系统里的工作‘流体’的概念。”施并未参与这项研究。

廖指出磁子还可成为改善现有热电发动机的新工具,虽然这种利用热发电的能力非常创新,但仍相对低效。“想要与传统技术相竞争,热电学还有很长的路要走,”廖说道。“研究磁场自由度可以潜在的最优化现有系统并改善热电效率。”

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