efecto magnetocalórico en materiales con transicion de segundo orden
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EFECTO MAGNETOCALÓRICO
EN MATERIALES CON TRANSICIÓN
DE SEGUNDO ORDEN
PABLO ALVAREZ ALONSO
DEPARTAMENTO DE FISICAUNIVERSIDAD DE OVIEDO
1- INTRODUCCION AL EFECTO MAGNETOCALORICO (EMC)
2- REFRIGERACION MAGNETICA (RM)
3- ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE MATERIALES CON ALTA
CAPACIDAD REFRIGERANTE (RCP)
3.1- CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
3.2- INTERMETALICOS CRISTALINOS Y NANOCRISTALINOS
R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
4- CONCLUSIONES
CONTENIDOS
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTRODUCCION - el EMC
Gd
H=0-50 kOe
Temperature (K)
220 240 260 280 300 320
S (
J/m
ol K
)
54
56
58
60
62
64
66
68
70
72
Temperature (K)
220 240 260 280 300 320
S
M (
J/m
ol K
)
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
From M(H)T
From CP(T)H=0
From CP(T)H=50 kOe
Tc
T
ad, C
INTRODUCCION - la Prehistoria
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Ann. Phys. Chem., vol. 13, 141-164 (1881)
Ann. Physik, vol. 81, 1154-1160 (1926) J. Amer. Chem. Soc.,vol.49, 1864-1870 (1927)
INTRODUCCION – descubrimiento EMC gigante
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
2
1
)
H
H H
M dHT
M(T,H)H(T,S
Cambio isotérmico de la
entropía magnética
GdAl2
Temperature (K)
0 50 100 150 200 250 300
M (
arb
. u
nit
s)
M near saturationParamagneticresponse
MC
E (
arb
. u
nit
s)
Cambio adiabático de la temperatura
2
1
),(),(
H
H HP
ad dHT
HTM
C
THTT
INTRODUCCION – ecuaciones importantes
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
REFRIGERACION MAGNETICA- principio
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
REFRIGERACION MAGNETICA- RM vs RC
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
REFRIGERACION MAGNETICA- ventajas
Mayor eficiencia energética 20-30% más eficiente que la refrigeración tradicional
Reducción en el consumo de combustibles fósiles
Máquinas de construcción simple No vibraciones ni ruidos
Coste de mantenimiento bajo
Tecnología más respetuosa con el medio ambiente Menos emisión de CO2
No emisiones directas al medio ambiente (no CFC’s, no HFC’s)
Uso de fluidos limpios para el intercambio de calor (agua, anticongelantes)
Consumidor Aire acondicionado
Dehumidificadores
Neveras
Cavas refriadoras
Refrigeración motores
Comercial Máquinas de vending
Enfriamiento de bebidas
Cámaras frigoríficas
Vitrinas y expositores
Electrónica Refrigeración activa de circuitos
electrónicos
Medicina Neveras portátiles
Imágenes de resonancia magnética
Ciencia Licuefacción de H, He, Ni
Refrigeración criogénica
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
REFRIGERACION MAGNETICA- aplicaciones
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTRODUCCION – optimización del EMC
T
M
¿Cómo optimizar el EMC ?
(a) ΔH elevado
(b) Elevado
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalode trabajo
(e) Baja CP
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTRODUCCION – optimización del EMC
Polycrystalline Gd
Magnetic field (T)
0 2 4 6 8 10 12
Mag
neto
calo
ri eff
ect,
T
(K
)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Pulsed field
Quasi-static field
Heat capacity
T=TC
T=90 K
Gd policristalino
T
M
¿Cómo optimizar el MCE ?
(a) ΔH elevado
(b) Elevado
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalode trabajo
(e) Baja CP
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTRODUCCION – optimización del EMC
T
M
¿Cómo optimizar el MCE ?
(a) ΔH elevado
(b) Elevado
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalode trabajo
(e) Baja CP
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTRODUCCION – optimización del EMC
T
M
RCP-1
RCP-3
RCP-2
¿Cómo optimizar el MCE ?
(a) ΔH elevado
(b) Elevado
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalode trabajo
(e) Baja CP
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTRODUCCION – optimización del EMC
T
M
Polycrystalline GdB=7.5 Tesla
Temperature (K)
200 250 300 350
Ma
gn
eto
ca
lori
c e
ffe
ct,
T
(K)
0
4
8
12
16
Pulse field
Data from ref. 6
Data from ref. 5
Data from ref. 9
H = 50 kOe
Gd policristalino
¿Cómo optimizar el MCE ?
(a) ΔH elevado
(b) Elevado
(c) Elevado RCP
(d) TC en el intervalode trabajo
(e) Baja CP
TC = 300 K
CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Fe91Zr7B2 (B2), Fe88Zr8B4 (B4), Fe87Zr6B6Cu1 (B6)
CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Momento por atomo: 1.7 mB
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
CINTAS AMORFAS EN EL SISTEMA FeZrBCu
INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
Hexagonal
Grupo espacial : P63/mmc
Estructura cristalina : Th2Ni17
Romboédricos
Grupo espacial: R-3M
Estructura cristalina: Th2Zn17
YCePrNdSmGdTb
YGdTbDyHoEr
TmYbLu
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Nd2Fe17
BM-10h
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Nd2Fe17 Bulk Nd2Fe17 BM-10h
Nd2Fe17 BM-20h Nd2Fe17 BM-40h
INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
Pr2Fe17
X-ray diffraction Neutron diffraction
La estructura Th2Zn17 se
mantiene tras la molienda
Descenso de la intensidad
de los picos de difracción
Ensanchamiento de las
reflexiones de Bragg
Momentos magnéticos
situados en el plano de la
celda
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Nd2Fe17Er2Fe17
INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTERMETALICOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)
CONCLUSIONES
¿Con qué me quedo?
- El EMC es la variación de la entropía o de la temperatura
al variar el campo magnético.
- El EMC tiene potencial para refrigeración a temperatura
ambiente
- Tener un elevado SM y Tad, a la vez que un elevado
RCP.
- Los materiales con transición de segundo orden tienen un
RCP elevado junto con anchuras de SM(T,H) hasta de
200 K para H = 50 kOe
GRACIAS POR SU ATENCION
ANEXOS
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
INTRODUCCION
Fall 2001 Astronautics
Imán permanente: 1.4 T
G.V. Brown, J. Appl. Phys., vol. 47, 3673 (1976)
46oC
-1oC
1976 Brown (NASA)
Campo: 7 T
Material magnético: Gd.
AMORFOS: FeZrB
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
= 1.594 Å2θ = *50, 1600] Δθ = 0.050
T = 300 KD2B
D1B
Difracción de polvo
Neutrones
= 2.52 Å2θ = *200, 1000]
Δθ = 0.20
T = [5 K, 820 K]ΔT = 2 K/min
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
- Elevada penetración en la muestra
- Distinguen isotopos
- Neutrones tienen momento (Magnetismo)
- El factor de dispersión es ~ constante
Ventajas neutrones
vs. XR
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Ventajas XR vs.
Neutrones
- Distingue mejor las capas superficiales
- Menor masa de las muestras
- Alta intensidad (ESRF: 1024 s-1.m-2 ; ILL: 1011 s-1.m-2)
- Mayor resolución energías
Fuentes de XR- Laboratorio
Fuentes de
neutrones- Reactor
- Sincrotrón
- Spallation
Pr2Fe17 y Nd2Fe17 BM preparadas mediante
molienda mecánica: high-energy planetary ball mill
(Retsch PM/400)
Relación masa de bolas - muestra = 8:1
Tiempo de molienda = 10, 20 y 40 h
5 min clockwise - 5 min anticlockwise – 5 min pausa
P. Álvarez 9 de Marzo, 2011
Masivos fabricados mediante horno de arco eléctrico:
MAM-1 (Edmund Bühler GmbH)
Fusión de los elementos varias veces
INTERMETALICOS CRISTALINOS Y
NANOCRISTALINOS R2Fe17 (R=Pr, Nd, Er)