Réfrigération magnétique
La réfrigération magnétique repose sur la propriété physique de certains matériaux magnétiques qui voient leur température intrinsèque s'élever quand ils sont soumis à un champ magnétique.
La réfrigération magnétique repose sur la propriété physique de certains matériaux magnétiques qui voient leur température intrinsèque s'élever quand ils sont soumis à un champ magnétique. Ce phénomène dénommé effet magnétocalorique (EMC) est maximum quand la température du matériau est proche de sa température de Curie.
Quasiment, seuls certains matériaux magnétiques tel le gadolinium, l'arsenic ou certains alliages présentent un saut de température suffisant pour pouvoir être exploités dans le domaine du froid magnétique. Ces matériaux possèdent par conséquent un EMC géant.
Les seul corps purs qui possèdent une température de Curie proche de la température ambiante (293 K = 20 °C) ainsi qu'un EMC géant sont l'arsenic et en particulier le gadolinium. C'est pourquoi, ce dernier est fréquemment utilisé dans les démonstrateurs de «frigo magnétique». Cependant, ce matériau est rare et coûteux et l'arsenic, lui, est particulièrement toxique.
Mais la récente mise au point d'alliages à base de cobalt, manganèse, silicium et germanium ou de céramiques présentant des propriétés analogues rendent envisageable la réalisation et la commercialisation à destination du marché grand public de réfrigérateurs magnétiques silencieux et écologiques (absence de gaz destructeur de la couche d'ozone ou toxique) et économiques (haut rendement) [1].
Actuellement (2009), le principal obstacle à une industrialisation est le champ magnétique particulièrement élevé (de l'ordre de 5 teslas) qu'il faut générer pour pouvoir obtenir des rendements intéressants. [2]
Comment fonctionne un réfrigérateur magnétique ?
Il existe essentiellement deux méthodes qui permettent la réfrigération magnétique. Ces deux techniques utilisent la démagnétisation adiabatique [3][4].
La première technique est utilisée afin d'atteindre des températures pas trop basses, pour la réfrigération à température ambiante par exemple. Elle se base sur le cycle suivant :
- Magnétisation adiabatique : Au départ, le matériau est en équilibre thermique avec le dispositif à réfrigérer. Puis, on élève la température du matériau en dessus de celle du réservoir chaud en lui appliquant un champ magnétique B.
- Transfert isomagnétique d'entropie : En gardant B constant, le matériau est mis en contact thermique avec le réservoir chaud. De l'énergie thermique est alors transférée du matériau vers le réservoir.
- Démagnétisation adiabatique : Le matériau est à nouveau isolé thermiquement. On ramène B à zéro. Le matériau voit par conséquent sa température baisser en dessous de celle du dispositif à réfrigérer.
- Transfert isomagnétique d'entropie : Le matériau est désormais mis en contact thermique avec le dispositif à réfrigérer. Il en résulte un transfert d'énergie thermique du dispositif vers le matériau jusqu'à ce que l'équilibre thermique s'établisse. Le cycle peut alors recommencer.
Le principal désavantage de ce cycle est que la température du paramagnétique doit descendre au-dessous de la température qu'on souhaite faire atteindre au dispositif à réfrigérer. Elle ne permet par conséquent pas d'atteindre des température particulièrement basses.
La seconde technique utilise un cycle différent qui sert à contourner ce problème. Cette méthode a permis aux physiciens d'atteindre les températures les plus proches du zéro absolu. Elle se base sur le cycle suivant[5] :
- Magnétisation adiabatique : L'intensité du champ magnétique B est augmentée de façon à ajuster la température du matériau à celle du réservoir chaud.
- Transfert isotherme d'entropie : Le matériau est mis en contact thermique avec le réservoir chaud. L'intensité de B est augmentée lentement de façon à avoir un transfert d'entropie du matériau vers le réservoir chaud à température constante.
- Démagnétisation adiabatique : On isole le matériau thermiquement puis on baisse rapidement de B pour ajuster la température du matériau à celle du dispositif à réfrigérer.
- Transfert isotherme d'entropie : Le matériau est mis en contact thermique avec le dispositif à réfrigérer. On diminue lentement l'intensité de B de manière à avoir un transfert d'entropie du dispositif vers le matériau à température constante. Le cycle peut alors recommencer.
L'efficacité d'un tel cycle dépend alors principalement de deux paramètres : la variation de température à entropie constante du matériau paramagnétique (ΔTadiab) et la variation d'entropie à température constante (ΔSiso), c'est-à-dire de la quantité d'entropie que peut absorber ou rejeter le matériau à température donnée.
Fichier :Schéma réfrigération magnétique. png
Voir aussi
Liens externes
- (en) Nasa - comment fonctionne un réfrigérateur magnétique
- (en) - Adiabatic demagnetization refrigerator, ADR Cycle
Références
- ↑ [1] futura-sciences 03.10.06
- ↑ Article : "Transition-metal-based magnetic refrigerants for room-temperature applications", O. Tegus, K. H. J. Buschow, F. R. de Bœr, E. BrÜck, Nature 415, 150-152 (10 January 2002)
- ↑ Article : "Ambient pressure colossal magnetocaloric effect tuned by composition in MnFeAs", Ariana de Campos, Daniel L Rocco, Alexandre Magnus G. Carvalho, Luana Caron, Adelino A. Cœlho, Luzeli M. da Silva, FlÁvio C. G. Gandra, Adenilson O. dos Santos, Lisandro P. Cardoso, Pedro J. von Ranke, Nature Materials 5, 802-804 (3 September 2006)
- ↑ Article : "Reduction of hysteresis losses in the magnetic refrigerant GdGeSi by the addition of iron", Alexander J. Shapiro, Robert D. Shull, Virgil Provenzano, Nature 429, 853-857 (24 June 2004)
- ↑ Voir : F. Rief, Statistical and Thermal Physics, McGram-Hill editions, 1985. ISBN : 0-07-085615-X
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