चुंबकीय प्रशीतन: Difference between revisions

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{{short description|Phenomenon in which a suitable material can be cooled by a changing magnetic field}}
{{short description|Phenomenon in which a suitable material can be cooled by a changing magnetic field}}'''चुंबकीय प्रशीतन''' शीतलन विधि है जो चुंबकीकृत प्रभाव पर आधारित है। इस विधि का उपयोग बहुत कम [[ तापमान |तापमान]] प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, साथ ही सरल रे[[ फ्रिज ]]रेटरों में उपयोग की जाने वाली श्रेणियों के लिए भी।<ref>{{cite journal | last1 = França | first1 = E.L.T. | last2 = dos Santos | first2 = A.O. | last3 = Coelho | first3 = A.A. | year = 2016 | title = Magnetocaloric effect of the ternary Dy, Ho and Er platinum gallides | journal = Journal of Magnetism and Magnetic Materials | volume = 401 | pages = 1088–1092 | doi = 10.1016/j.jmmm.2015.10.138 | bibcode = 2016JMMM..401.1088F }}</ref> <ref>doi10.1088/0022-327/38/23/R01</ref><ref>{{Cite journal | doi = 10.1088/0022-3727/38/23/R01| title = मैग्नेटोकलोरिक प्रशीतन में विकास| journal = Journal of Physics D: Applied Physics| volume = 38| issue = 23| pages = R381–R391| year = 2005| last1 = Brück | first1 = E. |bibcode = 2005JPhD...38R.381B | s2cid = 122788079}}</ref><ref name="auto">{{Cite journal | doi = 10.1002/pssb.201451217| title = Magnetocaloric effect in "reduced" dimensions: Thin films, ribbons, and microwires of Heusler alloys and related compounds| journal = Physica Status Solidi B| volume = 251| issue = 10| pages = 2104| year = 2014| last1 = Khovaylo | first1 = V. V. | last2 = Rodionova | first2 = V. V. | last3 = Shevyrtalov | first3 = S. N. | last4 = Novosad | first4 = V. |bibcode = 2014PSSBR.251.2104K | s2cid = 196706851}}</ref><ref name="auto1">{{Cite journal | doi = 10.1016/j.ijrefrig.2008.01.004| title = Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future prospects| journal = International Journal of Refrigeration| volume = 31| issue = 6| pages = 945| year = 2008| last1 = Gschneidner | first1 = K. A. | last2 = Pecharsky | first2 = V. K. | url = https://zenodo.org/record/1259069}}</ref>
[[File:Magnetocaloric1.01cr.png|thumb|300px|[[ गैडोलीनियम | गैडोलीनियम]] मिश्र धातु चुंबकीय क्षेत्र के अंदर गर्म हो जाती है और पर्यावरण को तापीय ऊर्जा खो देती है, इसलिए यह क्षेत्र से बाहर निकल जाती है और प्रवेश करने की तुलना में अधिक ठंडी हो जाती है।]]चुंबकीय प्रशीतन शीतलन विधि है जो चुंबकीकृत प्रभाव पर आधारित है। इस विधि का उपयोग बहुत कम [[ तापमान |तापमान]] प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, साथ ही सरल रे[[ फ्रिज ]]रेटरों में उपयोग की जाने वाली श्रेणियों के लिए भी।<ref>{{cite journal | last1 = França | first1 = E.L.T. | last2 = dos Santos | first2 = A.O. | last3 = Coelho | first3 = A.A. | year = 2016 | title = Magnetocaloric effect of the ternary Dy, Ho and Er platinum gallides | journal = Journal of Magnetism and Magnetic Materials | volume = 401 | pages = 1088–1092 | doi = 10.1016/j.jmmm.2015.10.138 | bibcode = 2016JMMM..401.1088F }}</ref> <ref>doi10.1088/0022-327/38/23/R01</ref><ref>{{Cite journal | doi = 10.1088/0022-3727/38/23/R01| title = मैग्नेटोकलोरिक प्रशीतन में विकास| journal = Journal of Physics D: Applied Physics| volume = 38| issue = 23| pages = R381–R391| year = 2005| last1 = Brück | first1 = E. |bibcode = 2005JPhD...38R.381B | s2cid = 122788079}}</ref><ref name="auto">{{Cite journal | doi = 10.1002/pssb.201451217| title = Magnetocaloric effect in "reduced" dimensions: Thin films, ribbons, and microwires of Heusler alloys and related compounds| journal = Physica Status Solidi B| volume = 251| issue = 10| pages = 2104| year = 2014| last1 = Khovaylo | first1 = V. V. | last2 = Rodionova | first2 = V. V. | last3 = Shevyrtalov | first3 = S. N. | last4 = Novosad | first4 = V. |bibcode = 2014PSSBR.251.2104K | s2cid = 196706851}}</ref><ref name="auto1">{{Cite journal | doi = 10.1016/j.ijrefrig.2008.01.004| title = Thirty years of near room temperature magnetic cooling: Where we are today and future prospects| journal = International Journal of Refrigeration| volume = 31| issue = 6| pages = 945| year = 2008| last1 = Gschneidner | first1 = K. A. | last2 = Pecharsky | first2 = V. K. | url = https://zenodo.org/record/1259069}}</ref>
चुंबकीय क्षेत्र लागू होने पर चुंबकीकृत सामग्री गर्म हो जाती है। वार्मिंग गर्मी जारी करने वाली सामग्री की आंतरिक स्थिति में परिवर्तन के कारण होती है। जब चुंबकीय क्षेत्र को हटा दिया जाता है, तो सामग्री अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाती है, गर्मी को पुन: अवशोषित कर लेती है और मूल तापमान पर लौट आती है। प्रशीतन प्राप्त करने के लिए, सामग्री को चुंबकीय गर्म अवस्था में अपनी गर्मी को दूर करने की अनुमति दी जाती है। चुंबकत्व को हटाकर, सामग्री फिर अपने मूल तापमान से नीचे ठंडी हो जाती है।
चुंबकीय क्षेत्र लागू होने पर चुंबकीकृत सामग्री गर्म हो जाती है। वार्मिंग गर्मी जारी करने वाली सामग्री की आंतरिक स्थिति में परिवर्तन के कारण होती है। जब चुंबकीय क्षेत्र को हटा दिया जाता है, तो सामग्री अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाती है, गर्मी को पुन: अवशोषित कर लेती है और मूल तापमान पर लौट आती है। प्रशीतन प्राप्त करने के लिए, सामग्री को चुंबकीय गर्म अवस्था में अपनी गर्मी को दूर करने की अनुमति दी जाती है। चुंबकत्व को हटाकर, सामग्री फिर अपने मूल तापमान से नीचे ठंडी हो जाती है।


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NDR सिस्टम में, प्रारंभिक हीट सिंक को बहुत कम तापमान (10–100 mK) पर होना चाहिए। यह प्रीकूलिंग अधिकांशतः कमजोर पड़ने वाले रेफ्रिजरेटर के मिश्रण कक्ष द्वारा प्रदान की जाती है<ref>{{Cite journal | doi = 10.1016/j.cryogenics.2021.103390| issn=0011-2275| title = Development of Dilution refrigerators – A review | journal = Cryogenics| volume = 121| year = 2022| last1 = Zu | first1 = H.| last2 = Dai | first2 = W.| last3 = de Waele | first3 = A.T.A.M.| bibcode = 2022Cryo..121....1Z| s2cid=244005391}}</ref> या पैरामैग्नेटिक नमक।
NDR सिस्टम में, प्रारंभिक हीट सिंक को बहुत कम तापमान (10–100 mK) पर होना चाहिए। यह प्रीकूलिंग अधिकांशतः कमजोर पड़ने वाले रेफ्रिजरेटर के मिश्रण कक्ष द्वारा प्रदान की जाती है<ref>{{Cite journal | doi = 10.1016/j.cryogenics.2021.103390| issn=0011-2275| title = Development of Dilution refrigerators – A review | journal = Cryogenics| volume = 121| year = 2022| last1 = Zu | first1 = H.| last2 = Dai | first2 = W.| last3 = de Waele | first3 = A.T.A.M.| bibcode = 2022Cryo..121....1Z| s2cid=244005391}}</ref> या पैरामैग्नेटिक नमक।


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चुंबकीय प्रशीतन शीतलन विधि है जो चुंबकीकृत प्रभाव पर आधारित है। इस विधि का उपयोग बहुत कम तापमान प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, साथ ही सरल रेफ्रिज रेटरों में उपयोग की जाने वाली श्रेणियों के लिए भी।[1] [2][3][4][5]

चुंबकीय क्षेत्र लागू होने पर चुंबकीकृत सामग्री गर्म हो जाती है। वार्मिंग गर्मी जारी करने वाली सामग्री की आंतरिक स्थिति में परिवर्तन के कारण होती है। जब चुंबकीय क्षेत्र को हटा दिया जाता है, तो सामग्री अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाती है, गर्मी को पुन: अवशोषित कर लेती है और मूल तापमान पर लौट आती है। प्रशीतन प्राप्त करने के लिए, सामग्री को चुंबकीय गर्म अवस्था में अपनी गर्मी को दूर करने की अनुमति दी जाती है। चुंबकत्व को हटाकर, सामग्री फिर अपने मूल तापमान से नीचे ठंडी हो जाती है।

यह प्रभाव पहली बार 1881 में जर्मन भौतिक विज्ञानी एमिल वारबर्ग द्वारा देखा गया था, जिसके बाद फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी पियरे वीस | पी। वीस और स्विस भौतिकशास्त्री अगस्टे पिककार्ड|ए. 1917 में पिककार्ड।[6]
[7] मूलभूत सिद्धांत का सुझाव पीटर डेबी पी ने दिया था। डेबी (1926) और विलियम जियाउक डब्ल्यू जियाउक (1927)[8] ने 1933 में प्रारंभ होने वाले कई समूहों द्वारा पहले कार्य करने वाले चुंबकीय रेफ्रिजरेटर का निर्माण किया गया था। लगभग 0.3 K (हीलियम-3 पर पंप करके प्राप्त तापमान) के नीचे ठंडा करने के लिए चुंबकीय प्रशीतन पहला तरीके में 3
Heवाष्प को विकसित किया गया था।

चुंबकीकृत प्रभाव

चुंबकीकृत प्रभाव (एमसीई, चुंबक और कैलोरी से) चुंबकीय-ऊष्मागतिकी घटना है जिसमें सामग्री को बदलते चुंबकीय क्षेत्र में उजागर करने के कारण उपयुक्त सामग्री का तापमान परिवर्तन होता है। इसे कम तापमान वाले भौतिकविदों द्वारा एडियाबेटिक प्रक्रिया अचुंबकीय पदार्थ के रूप में भी जाना जाता है। प्रशीतन प्रक्रिया के उस भाग में, बाहरी रूप से लागू चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति में कमी सामग्री में सम्मलित तापीय ऊर्जा (फोनन ) की आंदोलनकारी कार्रवाई से चुंबकीय क्षेत्र से चुंबकीय क्षेत्र से विचलित होने के लिए चुंबकीय डोमेन की अनुमति देती है। यदि सामग्री को अलग किया जाता है जिससे कि इस समय के समय सामग्री में (पुनः) माइग्रेट करने की अनुमति न हो, (अर्ताथ, रुद्धोष्म प्रक्रिया) तापमान गिर जाता है क्योंकि डोमेन तापीय ऊर्जा को अवशोषित करने के लिए अपने पुनर्संरचना का प्रदर्शन करते हैं। डोमेन का यादृच्छिककरण लौह-चुंबकीय सामग्री के क्यूरी तापमान पर यादृच्छिककरण के समान तरीके से होता है, सिवाय इसके कि चुंबकीय द्विध्रुव घटते बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पर काबू पा लेते हैं, जबकि ऊर्जा निरंतर बनी रहती है, इसके अतिरिक्त आंतरिक लौह चुंबकत्व से चुंबकीय डोमेन बाधित होने के अतिरिक्त ऊर्जा को जोड़ा जाता है। .

चुंबकीकृत प्रभाव के सबसे उल्लेखनीय उदाहरणों में से रासायनिक तत्व गैडोलिनियम और इसके कुछ मिश्र धातु हैं। कुछ चुंबकीय क्षेत्रों में प्रवेश करने पर गैडोलीनियम का तापमान बढ़ जाता है। जब यह चुंबकीय क्षेत्र छोड़ता है, तो तापमान गिर जाता है। गैडोलीनियम मिश्र धातु के लिए Gd
5(Si
2Ge
2) का प्रभाव बहुत शक्तिशाली है .[9] प्रेसियोडीमियम निकल के साथ मिश्रित (PrNi
5) का इतना शक्तिशाली चुंबकीकृत प्रभाव है कि इसने वैज्ञानिकों को मिलीकेल्विन, पूर्ण शून्य की डिग्री के हजारवें भाग तक पहुंचने की अनुमति दी है।[10]

समीकरण

चुंबकीकृत प्रभाव को निम्नलिखित समीकरण से निर्धारित किया जा सकता है:

कहाँ पे तापमान T के आसपास चुंबकीय प्रणाली के तापमान में एडियाबेटिक परिवर्तन है, H लागू बाहरी चुंबकीय क्षेत्र है, C कार्यशील चुंबक (रेफ्रिजरेंट) की ताप क्षमता है और M रेफ्रिजरेंट का चुंबकत्व है।

समीकरण से हम देख सकते हैं कि चुंबकीकृत प्रभाव को इसके द्वारा बढ़ाया जा सकता है:

  • एक बड़े क्षेत्र की भिन्नता
  • कम ताप क्षमता वाली चुंबक सामग्री
  • निरंतर चुंबकीय क्षेत्र में शुद्ध चुंबकीयकरण बनाम तापमान में बड़े परिवर्तन वाला चुंबक

तापमान में रूद्धोष्म परिवर्तन, , चुंबकीय एन्ट्रापी में चुंबक के परिवर्तन से संबंधित देखा जा सकता है () जबसे[11]

इसका तात्पर्य यह है कि चुंबक की एंट्रॉपी में पूर्ण परिवर्तन चुंबकीय क्षेत्र भिन्नता के ऊष्मागतिकी चक्र के तहत एडियाबेटिक तापमान परिवर्तन के संभावित परिमाण को निर्धारित करता है। टी

ऊष्मागतिकी चक्र

चुंबकीय प्रशीतन और वाष्प चक्र या पारंपरिक प्रशीतन के बीच समानता। एच = बाहरी रूप से लागू चुंबकीय क्षेत्र, क्यू = गर्मी की मात्रा, पी = दबाव, डीटीad = रुद्धोष्म तापमान भिन्नता

चक्र प्रशीतन चक्र के रूप में किया जाता है जो कार्नाट चक्र के अनुरूप होता है, लेकिन दबाव में बढ़ने और घटने के अतिरिक्त चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति में वृद्धि और कमी के साथ किया जाता हैं। इसे प्रारंभिक बिंदु पर वर्णित किया जा सकता है जिससे चुने हुए कार्य करने वाले पदार्थ को चुंबकीय क्षेत्र में प्रस्तुत किया जाता है, अर्ताथ चुंबकीय प्रवाह घनत्व बढ़ जाता है। कार्य करने वाली सामग्री प्रशीतक है, और प्रशीतित वातावरण के साथ ऊष्मीय संतुलन में प्रारंभ होती है।

  • एडियाबेटिक मैग्नेटाइजेशन: चुंबकीकृत पदार्थ को इंसुलेटेड वातावरण में रखा जाता है। बढ़ते बाहरी चुंबकीय क्षेत्र (+H) के कारण परमाणुओं के चुंबकीय द्विध्रुव संरेखित हो जाते हैं, जिससे सामग्री की चुंबकीय एन्ट्रापी और ताप क्षमता कम हो जाती है। चूँकि समग्र ऊर्जा नष्ट नहीं हुई है (अभी तक) और इसलिए कुल एन्ट्रापी कम नहीं हुई है (ऊष्मागतिकी नियम के अनुसार), शुद्ध परिणाम यह है कि पदार्थ (T + ΔTad) तापमान पर गर्म होता है।
  • आइसोमैग्नेटिक एन्थैल्पिक स्थांन्तरण: इस अतिरिक्त गर्मी को तब (-Q) द्रव या गैस द्वारा हटाया जा सकता है - उदाहरण के लिए गैसीय या तरल हीलियम इत्यादि। द्विध्रुवों को ऊष्मा को पुन: अवशोषित करने से रोकने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को स्थिर रखा जाता है। पर्याप्त रूप से ठंडा होने के बाद, चुंबकीकृत पदार्थ और शीतलक को (H = 0) अलग हो जाते हैं ।
  • रुद्धोष्म विचुम्बकत्व: पदार्थ को अन्य रूद्धोष्म (अछूता) स्थिति में लौटा दिया जाता है जिससे कि कुल एन्ट्रापी स्थिर रहे। चूंकि, इस बार चुंबकीय क्षेत्र कम हो गया है, ऊष्मीय ऊर्जा चुंबकीय क्षणों को क्षेत्र पर काबू पाने का कारण बनती है, और इस प्रकार नमूना ठंडा हो जाता है, अर्थात, एडियाबेटिक तापमान परिवर्तन। ऊर्जा (और एन्ट्रापी) ऊष्मीय एन्ट्रापी से चुंबकीय एन्ट्रापी में स्थानांतरित होती है, चुंबकीय द्विध्रुव के विकार को मापती है।[12]
  • आइसोमैग्नेटिक एंट्रोपिक स्थांन्तरण: सामग्री को दोबारा गर्म होने से रोकने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को स्थिर रखा जाता है। सामग्री को प्रशीतित होने के लिए पर्यावरण के साथ ऊष्मीय संपर्क में रखा गया है। क्योंकि कार्य करने वाली सामग्री प्रशीतित वातावरण (डिजाइन द्वारा) की तुलना में ठंडी होती है, ऊष्मा ऊर्जा कार्य सामग्री (+ Q) में चली जाती है।

एक बार रेफ्रिजरेंट और रेफ्रिजरेटेड वातावरण ऊष्मीय संतुलन में होने के बाद, चक्र फिर से प्रारंभ हो सकता है।

लागू विधि

एडियाबेटिक अचुंबकीय पदार्थ रेफ्रिजरेटर (एडीआर) का मूल संचालन सिद्धांत सामग्री के नमूने की एन्ट्रापी को नियंत्रित करने के लिए शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग होता है, जिसे अधिकांशतः रेफ्रिजरेंट कहा जाता है। चुंबकीय क्षेत्र रेफ्रिजरेंट में चुंबकीय द्विध्रुवों के उन्मुखीकरण को बाधित करता है। चुंबकीय क्षेत्र जितना शक्तिशाली होता है, उतने ही अधिक द्विध्रुव संरेखित होते हैं, जो कम एन्ट्रापी और विशिष्ट ताप क्षमता के अनुरूप होते हैं क्योंकि सामग्री ने (प्रभावी रूप से) अपनी कुछ आंतरिक स्वतंत्रता (भौतिकी और रसायन विज्ञान) खो दी है। यदि रेफ्रिजरेंट को हीट सिंक (सामान्यतः तरल हीलियम) के साथ ऊष्मीय संपर्क के माध्यम से स्थिर तापमान पर रखा जाता है, जबकि चुंबकीय क्षेत्र चालू होता है, तो रेफ्रिजरेंट को कुछ ऊर्जा विलुप्त हो जानी चाहिए क्योंकि यह हीट सिंक के साथ ऊष्मागतिकी संतुलन है। जब चुंबकीय क्षेत्र को बाद में बंद कर दिया जाता है, तो रेफ्रिजरेंट की ताप क्षमता फिर से बढ़ जाती है क्योंकि द्विध्रुवों के उन्मुखीकरण से जुड़ी स्वतंत्रता की डिग्री बार फिर से मुक्त हो जाती है, अणु ओं की गतिज ऊर्जा से ऊर्जा ऊर्जा के समविभाजन के अपने भाग को खींचती है, जिससे घटी हुई ऊर्जा के साथ प्रणाली के समग्र तापमान को कम करना। चूंकि यह प्रणाली अब ऊष्मीय तापावरोधन के लिए उपयोग की जाती है जब चुंबकीय क्षेत्र को बंद कर दिया जाता है, प्रक्रिया एडियाबेटिक है, अर्थात, सिस्टम अब अपने परिवेश (हीट सिंक) के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं कर सकता है, और इसका तापमान इसके प्रारंभिक मूल्य से कम हो जाता है, जो कि ताप सिंक।

एक मानक एडीआर का संचालन मुख्यतः निम्नानुसार होता है। सबसे पहले, शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र रेफ्रिजरेंट पर लागू होता है, इसके विभिन्न चुंबकीय द्विध्रुवों को संरेखित करने के लिए मजबूर करता है और रेफ्रिजरेंट की स्वतंत्रता की इन डिग्री को कम एन्ट्रॉपी की स्थिति में डालता है। हीट सिंक तब रेफ्रिजरेंट द्वारा एंट्रॉपी के हानि के कारण जारी गर्मी को अवशोषित करता है। हीट सिंक के साथ ऊष्मीय संपर्क तब टूट जाता है जिससे सिस्टम अछूता रहता है, और चुंबकीय क्षेत्र बंद हो जाता है, जिससे रेफ्रिजरेंट की गर्मी क्षमता बढ़ जाती है, इस प्रकार इसका तापमान हीट सिंक के तापमान से कम हो जाता है। व्यवहार में, निरंतर शीतलन प्रदान करने और नमूने को लगभग स्थिर कम तापमान पर रखने के लिए चुंबकीय क्षेत्र को धीरे-धीरे कम किया जाता है। बार क्षेत्र के शून्य या रेफ्रिजरेंट के गुणों द्वारा निर्धारित कुछ कम सीमित मूल्य पर गिरने के बाद, ADR की शीतलन शक्ति विलुप्त हो जाती है, और गर्मी के रिसाव के कारण रेफ्रिजरेंट गर्म हो जाएगा।

कार्य सामग्री

चुंबकीकृत प्रभाव (MCE) चुंबकीय ठोस का आंतरिक गुण है। चुंबकीय क्षेत्र के अनुप्रयोग या हटाने के लिए ठोस की यह तापीय प्रतिक्रिया तब अधिकतम होती है जब ठोस अपने चुंबकीय क्रम तापमान के समीप होता है। इस प्रकार, चुंबकीय प्रशीतन उपकरणों के लिए विचार की जाने वाली सामग्री चुंबकीय सामग्री होनी चाहिए जिसमें रुचि के तापमान क्षेत्र के पास चुंबकीय स्थिति संक्रमण तापमान होतै हैं। [13] घर में उपयोग किए जा सकने वाले रेफ्रिजरेटर के लिए, यह तापमान कमरे का तापमान होता है। तापमान परिवर्तन को तब और बढ़ाया जा सकता है जब स्थिति संक्रमण आदेश पैरामीटर या स्थिति संक्रमण का आदेश-पैरामीटर ब्याज की तापमान सीमा के भीतर दृढ़ता से परिवर्तित होता है।[14]

चुंबकीय एन्ट्रापी और रुद्धोष्म तापमान परिवर्तन के परिमाण चुंबकीय आदेश देने की प्रक्रिया पर दृढ़ता से निर्भर हैं। सामान्यतः एंटीफेरोमैग्नेट , लौह चुंबक और स्पिन ग्लास सिस्टम में परिमाण छोटा होता है, लेकिन फेरोमैग्नेट के लिए बहुत बड़ा हो सकता है जो चुंबकीय स्थिति संक्रमण से होकर प्रवाहित होता है। पहले क्रम के स्थिति संक्रमणों को तापमान के साथ चुंबकत्व परिवर्तन में असंतोष के रूप में वर्णित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप गुप्त गर्मी होती है। [15]

1990 के दशक के उत्तरार्ध में पेकारिक्सी और स्नीडर ने चुंबकीय एन्ट्रापी परिवर्तन की सूचना दी Gd
5(Si
2Ge
2) यह जीडी धातु के लिए रिपोर्ट की गई तुलना में लगभग 50% बड़ा था, जिसमें उस समय सबसे बड़ा ज्ञात चुंबकीय एन्ट्रापी परिवर्तन था।[16] यह विशाल चुंबकीकृत प्रभाव (जीएमसीई) 270 K पर हुआ, जो कि Gd (294 K) से कम है।[5] चूंकि एमसीई कमरे के तापमान से कम होता है इसलिए ये सामग्रियां कमरे के तापमान पर चलने वाले रेफ्रिजरेटर के लिए उपयुक्त नहीं होंगी।[17] तब से अन्य मिश्र धातुओं ने भी विशाल मैग्नेटोकलोरिक प्रभाव का प्रदर्शन किया है। इसमें शामिल है Gd
5(Si
xGe
1−x)
4, La(Fe
xSi
1−x)
13H
x और MnFeP
1−xAs
x मिश्रधातु,[18][17] गैडोलिनियम और इसके मिश्र धातु दूसरे क्रम के चरण संक्रमण से गुजरते हैं जिनमें कोई चुंबकीय या थर्मल हिस्टैरिसीस नहीं होता है।[19] चूंकि, दुर्लभ पृथ्वी तत्वों का उपयोग इन सामग्रियों को बहुत महंगा बनाता है।

ऊष्मागतिकी प्रणाली के संदर्भ में महत्वपूर्ण चुंबकीकृत प्रभाव वाले मिश्र धातुओं का वर्णन करने के लिए वर्तमान शोध का उपयोग किया गया है। साहित्य कहता है कि उदाहरण के लिए Gd5(Si2Ge2) को ऊष्मागतिकी प्रणाली के रूप में वर्णित किया जा सकता है बशर्ते यह "अध्ययन के लिए चुने गए स्थान में पदार्थ या क्षेत्र की मात्रा" होने की स्थिति को संतुष्ट करता हो।[20] ऐसी प्रणालियाँ ऊष्मप्रवैगिकी में आधुनिक अनुसंधान के लिए प्रासंगिक हो गई हैं क्योंकि वे उच्च प्रदर्शन थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री के निर्माण के लिए प्रशंसनीय सामग्री के रूप में कार्य करती हैं।

Ni
2Mn-X (X = Ga, Co, In, Al, Sb) हेस्लर मिश्र भी चुंबकीय शीतलन अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक उम्मीदवार हैं क्योंकि उनके पास कमरे के तापमान के पास क्यूरी तापमान है और, संरचना के आधार पर, कमरे के तापमान के पास मार्टेंसिक स्थिति परिवर्तन हो सकते हैं।[4]ये सामग्रियां चुंबकीय आकार स्मृति प्रभाव प्रदर्शित करती हैं और इन्हें एक्चुएटर्स, ऊर्जा संचयन उपकरणों और सेंसर के रूप में भी उपयोग किया जा सकता है।[21] जब मार्टेंसिटिक परिवर्तन तापमान और क्यूरी तापमान समान होते हैं (संरचना के आधार पर) चुंबकीय एन्ट्रापी परिवर्तन का परिमाण सबसे बड़ा होता है।[14] फरवरी 2014 में , GE ने कार्यात्मक Ni-Mn-आधारित चुंबकीय रेफ्रिजरेटर के विकास की घोषणा की।[22][23] इस विधि का विकास बहुत ही भौतिक-निर्भर है और संभवतः सस्ते, प्रचुर मात्रा में बेहतर सामग्री के बिना वाष्प-संपीड़न प्रशीतन को प्रतिस्थापित नहीं करेगा, और तापमान की बड़ी श्रृंखला पर बहुत बड़े चुंबकीकृत प्रभाव प्रदर्शित करता है। ऐसी सामग्रियों को दो टेस्ला या उससे कम क्षेत्र के तहत महत्वपूर्ण तापमान परिवर्तन दिखाने की आवश्यकता होती है, जिससे कि चुंबकीय क्षेत्र के उत्पादन के लिए स्थायी चुंबक का उपयोग किया जा सके।[24][25]

अनुचुम्बकीय लवण

मूल प्रस्तावित रेफ्रिजरेंट अनुचुंबकत्व नमक (रसायन विज्ञान) था, जैसे कि मोम मैग्नीशियम नाइट्रेट । इस स्थिति में सक्रिय चुंबकीय द्विध्रुव पैरामैग्नेटिक परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन कवच के होते हैं।

एक अनुचुंबकीय नमक एडीआर में, गर्मी सिंक सामान्यतः पंप द्वारा प्रदान किया जाता है 4
He (लगभग 1.2 के) या 3
He (लगभग 0.3 K) क्रायोस्टैट सरलता से प्राप्य 1T चुंबकीय क्षेत्र सामान्यतः प्रारंभिक चुंबकीयकरण के लिए आवश्यक होता है। प्राप्य न्यूनतम तापमान रेफ्रिजरेंट नमक की स्व-चुम्बकत्व प्रवृत्ति द्वारा निर्धारित किया जाता है, लेकिन 1 से 100 mK तक का तापमान सुलभ होता है। दुर्बल पतले रेफ्रिजरेटर ने कई वर्षों तक पैरामैग्नेटिक नमक एडीआर को प्रतिस्थापित किया था, लेकिन कमजोर पड़ने वाले रेफ्रिजरेटर की जटिलता और अविश्वसनीयता के कारण अंतरिक्ष-आधारित और प्रयोगशाला-एडीआर का उपयोग करने में रुचि बनी हुई है।

अंततः अनुचुंबकीय लवण या तो प्रतिचुम्बकत्व या लौहचुंबकीय बन जाते हैं, जो इस विधि का उपयोग करके पहुँचा जा सकने वाले न्यूनतम तापमान को सीमित कर देता है।

परमाणु विमुद्रीकरण

रूद्धोष्म विचुंबकीकरण का प्रकार जो पर्याप्त अनुसंधान अनुप्रयोग को खोजने के लिए जारी है, वह है परमाणु विचुंबकीकरण प्रशीतन (एनडीआर)। एनडीआर समान सिद्धांतों का पालन करता है, लेकिन इस स्थिति में शीतलन शक्ति प्रशीतक परमाणुओं के स्पिन (भौतिकी) चुंबकीय क्षणों से उत्पन्न होती है, न कि उनके इलेक्ट्रॉन विन्यास से किया जाता हैं। चूँकि ये द्विध्रुव बहुत छोटे परिमाण के होते हैं, वे आत्म-संरेखण के लिए कम प्रवण होते हैं और कम आंतरिक न्यूनतम क्षेत्र होते हैं। यह एनडीआर को परमाणु स्पिन प्रणाली को बहुत कम तापमान पर ठंडा करने की अनुमति देता है, अधिकांशतः 1 µK या उससे कम होता हैं। दुर्भाग्य से, परमाणु चुंबकीय द्विध्रुवों के छोटे परिमाण भी उन्हें बाहरी क्षेत्रों में संरेखित करने के लिए कम इच्छुक बनाते हैं। एनडीआर के प्रारंभिक चुंबकीयकरण स्थिति के लिए अधिकांशतः 3 टेस्ला या उससे अधिक के चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है।

NDR सिस्टम में, प्रारंभिक हीट सिंक को बहुत कम तापमान (10–100 mK) पर होना चाहिए। यह प्रीकूलिंग अधिकांशतः कमजोर पड़ने वाले रेफ्रिजरेटर के मिश्रण कक्ष द्वारा प्रदान की जाती है[26] या पैरामैग्नेटिक नमक।





वाणिज्यिक विकास

2001 में अनुसंधान और अवधारणा उपकरण का प्रदर्शन प्रमाण चुंबकीकृत रेफ्रिजरेटर बनाने के लिए कमरे के तापमान पर वाणिज्यिक-ग्रेड सामग्री और स्थायी चुंबक लगाने में सफल रहा।[27] 20 अगस्त, 2007 को, डेनमार्क के विधिी विश्वविद्यालय में रिसो नेशनल लेबोरेटरी (डेनमार्क) ने अपने चुंबकीय शीतलन अनुसंधान में मील का पत्थर तक पहुंचने का दावा किया, जब उन्होंने 8.7 K के तापमान की सूचना दी।[28] उन्होंने 2010 तक प्रौद्योगिकी के पहले व्यावसायिक अनुप्रयोगों को प्रस्तुत करने की उम्मीद की थी।

2013 तक यह विधि दशकों से उपलब्ध अल्ट्रा-लो तापमान क्रायोजेनिक अनुप्रयोगों के लिए व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य साबित हुई थी। चुंबकीयकैलोरिक रेफ्रिजरेशन सिस्टम पंप, मोटर, द्वितीयक तरल पदार्थ, विभिन्न प्रकार के हीट एक्सचेंजर्स, मैग्नेट और चुंबकीय सामग्री से बने होते हैं। ये प्रक्रियाएँ अपरिवर्तनीयताओं से बहुत प्रभावित होती हैं और इन पर पर्याप्त रूप से विचार किया जाना चाहिए। साल के अंत में, कूलटेक एप्लीकेशन[29] घोषणा की कि इसका पहला वाणिज्यिक प्रशीतन उपकरण 2014 में बाजार में प्रवेश करेगा। कूलटेक एप्लीकेशन ने 20 जून 2016 को अपना पहला व्यावसायिक रूप से उपलब्ध चुंबकीय प्रशीतन प्रणाली लॉन्च किया। लास वेगास में 2015 के उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स शो में, हायर , एस्ट्रोनॉटिक्स कॉर्पोरेशन ऑफ अमेरिका और बीएएसएफ के संघ ने पहला शीतलन उपकरण प्रस्तुत किया।[30] बीएएसएफ का दावा है कि कंप्रेशर्स के उपयोग से उनकी विधि में 35% सुधार हुआ है[31] नवंबर 2015 में, मेडिका 2015 मेले में, Kirsch Medical GmbH के सहयोग से कूलटेक एप्लिकेशन प्रस्तुत किए गए, द दुनिया का पहला चुंबकीयकैलोरिक मेडिकल कैबिनेट। साल बाद, सितंबर 2016 में, पर -a-6052 कमरे के तापमान पर चुंबकीय प्रशीतन पर 7वां अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन (थर्मैग VII) टोरिनो, इटली में आयोजित किया गया, कूलटेक एप्लिकेशन ने दुनिया का पहला चुंबकीकृत फ्रोजन हीट एक्सचेंजर प्रस्तुत किया।

2017 में, World's No 1 Retail Trade Fair में, कूलटेक एप्लीकेशन्स ने 30 किग्रा भार और पूर्णत: क्रियाशील 500 लीटर का चुंबकीकृत कूल्ड कैबिनेट प्रस्तुत किया। +2 डिग्री सेल्सियस के कैबिनेट के अंदर हवा का तापमान। यह साबित हुआ कि चुंबकीय प्रशीतन परिपक्व विधि है, जो क्लासिक प्रशीतन समाधानों को बदलने में सक्षम है।

एक साल बाद, सितंबर 2018 में, कमरे के तापमान पर चुंबकीय प्रशीतन पर 8वें अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन (थर्मैग VIII) में, कूलटेक एप्लिकेशन ने com/science/article/abs/pii/S0140700720303911 चुंबकीकृत प्रोटोटाइप को 15 kW प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट यूनिट के रूप में डिज़ाइन किया गया है। इसे समुदाय द्वारा के रूप में माना गया है। 10.1002/aenm.201903741 अब तक का सबसे बड़ा चुंबकीकृत प्रोटोटाइप।

उसी सम्मेलन में, यह घोषणा की गई कि, वित्तीय मुद्दों के कारण, कूलटेक एप्लिकेशन ने दिवालियेपन की घोषणा की (थर्माग VIII सम्मेलन में डॉ. सर्गियो लियोन्टे के भाषण को सरलंत्रित वक्ता के रूप में ). बाद में, कुछ पुराने कूलटेक एप्लिकेशन के टीम सदस्यों द्वारा यूबीब्लू कंपनी बनाई गई।

2019 में, पर delft-days-magnetocalorics/ddmc-2019 चुंबकीयकैलोरिक पर 5वां डेल्फ़्ट डे सम्मेलन,[32] यूबीब्लू ने अपना अंतिम प्रोटोटाइप प्रस्तुत किया। बाद में, चुंबकीकृत समुदाय ने स्वीकार किया कि यूबीब्लू के पास सबसे विकसित चुंबकीकृत प्रोटोटाइप था।

जीएमसीई को प्रदर्शित करने वाली प्रथम-क्रम स्थिति संक्रमण सामग्री के लिए ऊष्मीय और चुंबकीय हिस्टैरिसीस समस्याओं का समाधान किया जाना बाकी है।[24]

एक संभावित अनुप्रयोग अंतरिक्ष यान में है।

वाष्प-संपीड़न प्रशीतन इकाइयाँ सामान्यतः सैद्धांतिक आदर्श कार्नाट चक्र के 60% के प्रदर्शन गुणांक प्राप्त करती हैं, जो वर्तमान एमआर विधि से बहुत अधिक है। छोटे घरेलू रेफ्रिजरेटर चूंकि बहुत कम कुशल होते हैं।[33]

2014 में चुंबकीकृत प्रभाव का विशाल अनिसोट्रोपिक व्यवहार पाया गया HoMn
2O
5 10 K पर। की अनिसोट्रॉपी चुंबकीय एन्ट्रॉपी परिवर्तन बड़े घूर्णन एमसीई को जन्म देता है जो इसे निरंतर चुंबकीय क्षेत्र में घुमाकर सरलीकृत, कॉम्पैक्ट और कुशल चुंबकीय शीतलन प्रणाली बनाने की संभावना प्रदान करता है।[34] 2015 में एप्रिया एट अल।[35] नई प्रशीतन अवधारणा प्रस्तुत की, जियोथर्माग, जो चुंबकीय प्रशीतन प्रौद्योगिकी का संयोजन है जो निम्न-तापमान भू-तापीय ऊर्जा के साथ है। जियोथर्मैग विधि की प्रयोज्यता को प्रदर्शित करने के लिए, उन्होंने पायलट प्रणाली विकसित की जिसमें 100 मीटर की गहरी भू-तापीय जांच सम्मलित है, जांच के अंदर, पानी बहता है और सीधे गैडोलीनियम के साथ संचालित चुंबकीय रेफ्रिजरेटर के लिए पुनर्जनन द्रव के रूप में उपयोग किया जाता है। जियोथर्मैक प्रणाली ने 60 W के ताप भार की उपस्थिति में 281.8 K पर भी ठंडे पानी का उत्पादन करने की क्षमता दिखाई। इसके अतिरिक्त, सिस्टम ने इष्टतम आवृत्ति f AMR, 0.26 Hz का अस्तित्व दिखाया है, जिसके लिए यह संभव था 2.20 के सीओपी के साथ 190 डब्ल्यू के बराबर ऊष्मीय लोड के साथ 287.9 ​​K पर ठंडे पानी का उत्पादन करें। परीक्षणों में प्राप्त ठंडे पानी के तापमान को देखते हुए, जियोथर्मैग सिस्टम ने कूलिंग रेडिएंट फ्लोर को खिलाने की अच्छी क्षमता और पंखे के कॉइल सिस्टम को खिलाने की कम क्षमता दिखाई।

इतिहास

इस प्रभाव की खोज पहली बार 1881 में जर्मन भौतिक विज्ञानी एमिल वारबर्ग ने की थी[36] इसके बाद 1917 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी पियरे वीस और स्विस भौतिक विज्ञानी अगस्टे पिककार्ड द्वारा।[37]

प्रमुख प्रगति पहली बार 1920 के दशक के अंत में दिखाई दी, जब 1926 में पीटर डेबी और 1927 में रसायन शास्त्र के नोबेल पुरस्कार विजेता विलियम एफ गिआउक द्वारा एडियाबेटिक विचुंबकीकरण के माध्यम से शीतलन को स्वतंत्र रूप से प्रस्तावित किया गया था।

क्रायोजेनिक उद्देश्यों के लिए 1933 में जियाउक और उनके सहयोगी डी.पी. मैकडॉगल द्वारा इसे पहली बार प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित किया गया था, जब वे 0.25 K तक पहुंच गए थे।[38] 1933 और 1997 के बीच, MCE कूलिंग में प्रगति हुई।[39] 1997 में, एम्स प्रयोगशाला में आयोवा स्टेट यूनिवर्सिटी द्वारा कार्ल ए. गश्नीडनर, जूनियर द्वारा अवधारणा चुंबकीय रेफ्रिजरेटर के कमरे के तापमान के पहले सबूत का प्रदर्शन किया गया था। इस घटना ने दुनिया भर के वैज्ञानिकों और कंपनियों की रुचि को आकर्षित किया जिन्होंने नए प्रकार के कमरे के तापमान की सामग्री और चुंबकीय रेफ्रिजरेटर डिजाइन विकसित करना प्रारंभ कर दिया।[9]

2002 में बड़ी सफलता मिली जब एम्स्टर्डम विश्वविद्यालय के समूह ने प्रचुर मात्रा में सामग्री पर आधारित MnFe(P,As) मिश्र धातुओं में विशाल चुंबकीकृत प्रभाव का प्रदर्शन किया।[40] चुंबकीकृत प्रभाव पर आधारित रेफ्रिजरेटर को प्रयोगशालाओं में प्रदर्शित किया गया है, जिसमें 0.6 T से 10 T तक के चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किया जाता है। 2 T से ऊपर के चुंबकीय क्षेत्र को स्थायी चुंबक के साथ उत्पन्न करना मुश्किल होता है और सुपरकंडक्टिंग चुंबक द्वारा उत्पादित किया जाता है (1 T लगभग 20.000 गुना होता है पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र)।

कमरे के तापमान के उपकरण

हाल के शोध ने कमरे के तापमान के करीब पर ध्यान केंद्रित किया है। कमरे के तापमान चुंबकीय रेफ्रिजरेटर के निर्मित उदाहरणों में सम्मलित हैं:

कमरे के तापमान चुंबकीय रेफ्रिजरेटर
प्रायोजक स्थान घोषणा तिथि प्रकार मैक्स। शीतलन शक्ति (डब्ल्यू) [1] अधिकतम ΔT (K)[2] चुंबकीय क्षेत्र (T) ठोस प्रशीतक मात्रा (किग्रा) COP (-)[3]
एम्स प्रयोगशाला / अंतरिक्ष विज्ञान[41] एम्स, आयोवा/मैडिसन, विस्कॉन्सिन, यू.एस फरवरी 20, 1997 रेसिप्रोकेटिंग 600 10 5 (S) Gd स्फेयर
मेटर। विज्ञान संस्थान बार्सिलोना[42][43] बार्सिलोना, स्पेन मई 2000 रोटरी ? 5 0.95 (P) Gd foil
चुबु इलेक्ट्रिक/तोशिबा[44] योकोहामा, जापान 2000 की गर्मा रेसिप्रोकेटिंग 100 21 4 (S) Gd स्फेयर
विक्टोरिया विश्वविद्यालय[45][46] विक्टोरिया, ब्रिटिश कोलंबिया कनाडा जुलाई 2001 रेसिप्रोकेटिंग 2 14 2 (S) Gd & Gd
1−xTb
x L.B.
एस्ट्रोनॉटिक्स[47] मैडिसन, विस्कॉन्सिन, यू.एस सितंबर 18, 2001 रोटरी 95 25 1.5 (P) Gd स्फेयर
सिचुआन इंस्ट. टेक./नानजिंग विश्वविद्यालय[48] नानजिंग, चीन 23 अप्रैल 2002 रेसिप्रोकेटिंग ? 23 1.4 (P) Gd स्फेयर and Gd5Si1.985Ge1.985Ga0.03 powder
चुबु इलेक्ट्रिक/तोशिबा[49] योकोहामा, जापान अक्टूबर 5, 2002 रेसिप्रोकेटिंग 40 27 0.6 (P) Gd
1−xDy
x L.B.
चुबु इलेक्ट्रिक/तोशिबा[49] योकोहामा, जापान मार्च 4, 2003 रोटरी 60 10 0.76 (P) Gd
1−xDy
x L.B.		 1
प्रयोगशाला। डी'इलेक्ट्रोटेक्नीक ग्रेनोबल[50] ग्रेनोबल, फ्रांस अप्रैल 2003 रेसिप्रोकेटिंग 8.8 4 0.8 (P) Gd foil
जॉर्ज वाशिंगटन विश्वविद्यालय[51] यूएस जुलाई 2004 रेसिप्रोकेटिंग ? 5 2 (P) Gd foil
एस्ट्रोनॉटिक्स[52] मैडिसन, विस्कॉन्सिन, यू.एस 2004 रोटरी 95 25 1.5 (P) Gd and GdEr स्फेयर / La(Fe
0.88Si130−
0.12H
1.0
विक्टोरिया विश्वविद्यालय[53] विक्टोरिया, ब्रिटिश कोलंबिया कनाडा 2006 रेसिप्रोकेटिंग 15 50 2 (S) Gd, Gd
0.74Tb
0.26 and Gd
0.85Er
0.15 pucks		 0.12
सालेर्नो विश्वविद्यालय[54] सालेर्नो, इटली 2016 रोटरी 250 12 1.2 (P) Gd 0.600 mm spherical particles 1.20 0.5 - 2.5
मिसिस[55] Tver और मास्को, रूस 2019 उच्च गति रोटरी ? ? ? Gd bricks of two types, cascaded
1शून्य तापमान अंतर (ΔT=0) पर अधिकतम शीतलन शक्ति, शून्य शीतलन क्षमता पर 2अधिकतम तापमान अवधि (W=0), LB = स्तरित बिस्तर, P = स्थायी चुंबक, एस = सुपरकंडक्टिंग चुंबक3, विभिन्न परिचालन स्थितियों के अनुसार सीओपी मूल्य

एक उदाहरण में, प्रो. कार्ल ए. ग्श्नीडनर, जूनियर ने 20 फरवरी, 1997 को कमरे के तापमान के पास चुंबकीय रेफ्रिजरेटर की अवधारणा के प्रमाण का अनावरण किया। उन्होंने जीएमसीई की खोज की भी घोषणा की Gd
5Si
2Ge
2 9 जून, 1997 को।[16] तब से, सैकड़ों सहकर्मी-समीक्षित लेख चुंबकीकृत प्रभाव प्रदर्शित करने वाली सामग्रियों का वर्णन करते हुए लिखे गए हैं।

यह भी देखें

संदर्भ

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