المعامل المغناطيسي والتبريد المغناطيسي

مقدمة عن التأثير المغناطيسي البؤري

التأثير المغناطيسي المغناطيسي هو الظاهرة الفيزيائية المثيرة للاهتمام التي تشير إلى التغير في درجة الحرارة الذي يطرأ على مادة ما مع تغير مجالها المغناطيسي. وهذا التأثير له نتائج تسخين وتبريد على حد سواء، ويشكل قلب نوع جديد من تكنولوجيا التبريد يسمى التبريد المغناطيسي. يمكن اعتبار التبريد المغناطيسي أكثر ملاءمة للبيئة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة مقارنة بأجهزة التبريد الحديثة التي تعمل على مبادئ ضغط الغاز. وبينما يتطلع العالم إلى حلول أكثر استدامة، يقدم التأثير المغناطيسي المغناطيسي فرصة مثيرة لقطاعات مثل التبريد وتكييف الهواء وحتى التطبيقات الطبية.

دور معامل البؤر المغناطيسية

يعد معامل البؤر المغناطيسية أحد أهم المعاملات عند دراسة التأثير المغناطيسي البؤري وتطبيقه. يقيس هذا المعامل مقدار التغير في درجة الحرارة الذي تتعرض له المادة عند تعرضها لتغير في شدة المجال المغناطيسي. بعبارة أخرى، هو مقياس لقابلية المادة للتأثر بالمجال المغناطيسي فيما يتعلق بتغير الطاقة الحرارية. وكلما زاد معامل البؤرة المغناطيسية كلما زادت كفاءة المادة في تطوير تغير معين في درجة حرارة التبريد، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة دورات التبريد المغناطيسي.

العوامل المؤثرة على معامل البؤرة المغناطيسية

• تركيب المادة: تُظهر المواد المختلفة خصائص مختلفة فيما يتعلق بالتأثير المغناطيسي البؤري. فبينما قد يُظهر بعضها تغيرًا كبيرًا في درجة الحرارة مع تطبيق مجال مغناطيسي، قد يستجيب البعض الآخر بشكل ضئيل جدًا. يتركز جزء كبير من الأبحاث في هذا المجال على إيجاد تلك المواد التي تُظهر تأثيراً مغناطيسياً مغناطيسياً أعلى، خاصةً في درجة حرارة الغرفة، وذلك بغرض تحسين الأداء في التبريد المغناطيسي.
• قوة المجال المغناطيسي: تحدد شدة المجال المغناطيسي المطبق حجم التغير في درجة الحرارة. وبصفة عامة، يؤدي المجال المغناطيسي الأقوى إلى إحداث تغيير أكبر في درجة الحرارة. ولكن ذلك يعتمد أيضًا على كفاءة العملية وفقًا لقدرة المادة على الاستجابة لمثل هذه المجالات.
• نطاق درجة الحرارة: تعتمد قيمة المعامل المغناطيسي المغناطيسي على نطاق درجة الحرارة الذي يمكن استخدام مادة معينة ضمنه. وبالتالي، يستدعي ذلك اختيار المواد المناسبة للتطبيقات المختلفة، خاصةً تلك التي لها نطاقات درجة حرارة محددة مستهدفة للتبريد أو التبريد.

كيفية حساب معامل البؤرة المغناطيسية

لحساب المعامل البؤري المغناطيسي، يتم تطبيق المعادلة التالية:

dT/dH=T/ΔH* (dM/dT)

تتكون أجزاء الكسر من البسط والمقام.

حيث:

• dT/dH هو معامل البوصلة المغناطيسية الذي يمثل التغير في درجة الحرارة بالنسبة إلى التغير في المجال المغناطيسي.
• T هي درجة حرارة المادة.
• ΔH هو التغيُّر في المجال المغناطيسي.
• dM/dT هو معدل التغير في المغنطة بالنسبة إلى درجة الحرارة، والذي يمكن تحديده تجريبيًّا في كثير من الأحيان.

التبريد المغناطيسي: نظرة عامة

يعتمد التبريد المغناطيسي على التأثير المغناطيسي المغناطيسي لتحقيق التبريد. تعتمد الطرق التقليدية للتبريد على عمل غازات التبريد والضواغط، لكن التبريد المغناطيسي يتعلق بالمواد المغناطيسية. عندما يتم مغنطة هذه المواد، فإنها تسخن، بينما تؤدي إزالة المغنطة إلى تبريدها. ويمكن تكرار هذه العملية في دورات مستمرة لتوفير وسيلة مستدامة وفعالة للتبريد.

مزايا التبريد المغناطيسي على الأنظمة التقليدية

• كفاءة الطاقة: يمكن لأنظمة التبريد المغناطيسي أن تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة لأنها لا تعتمد على استخدام غازات التبريد، والتي تتطلب بشكل عام مدخلات طاقة عالية للضغط والتمدد.
• صديقة للبيئة: عادةً ما تتضمن أنظمة التبريد التقليدية مركبات الكربون الهيدروفلورية التي تضر بالبيئة بسبب قدرتها العالية على إحداث الاحتباس الحراري. ومن ناحية أخرى، لا تنطوي أنظمة التبريد المغناطيسية على مثل هذه الغازات، وبالتالي يكون تأثيرها على البيئة أقل بكثير.
• تشغيل هادئ: تعمل أنظمة الثلاجات المغناطيسية بهدوء، وليس كما هو الحال في الثلاجات وأنظمة تكييف الهواء التقليدية حيث تكون الضواغط الميكانيكية هي الجزء الأكثر ضجيجًا في النظام.

التبريد المغناطيسي: تحسين الكفاءة

من بين الشروط التي قد تسرّع من انتشار استخدام تكنولوجيا التبريد المغناطيسي على نطاق واسع زيادة معامل المغناطيسية وتحسين تصميم النظام. وتشمل استراتيجيات تحسين الكفاءة في التبريد المغناطيسي ما يلي:

• هندسة المواد: يجري تطوير سبائك ومركبات ومركبات جديدة من أجل تعزيز هذا التأثير. وعلى وجه الخصوص، يتم التركيز على المواد ذات المعامل المغناطيسي المغناطيسي العالي في درجة حرارة الغرفة، لتمكين التبريد المغناطيسي للتطبيقات العملية.
• الدورات المغناطيسية المحسّنة: تعتمد كفاءة التبريد المغناطيسي أيضًا على كيفية تطبيق المجال المغناطيسي وإزالته. ويسمح تحسين الدورات المغناطيسية للباحثين بتحسين التغيرات في درجات الحرارة الناتجة عن المجال المغناطيسي وتحسين أداء نظام التبريد.
• تصميم النظام: هناك عامل مؤثر رئيسي آخر في تطوير التبريد المغناطيسي وهو تصميم النظام الفعال. وينطوي ذلك على تحسين ترتيب المواد المغناطيسية وعملية التبريد واستهلاك الطاقة للنظام بأكمله.

مقارنة معاملات البؤر المغناطيسية في المواد المختلفة

فيما يلي مقارنة بين معاملات البؤر المغناطيسية لمختلف المواد المستخدمة في أبحاث التبريد المغناطيسي. تستند المواد المختارة إلى نطاقات درجات الحرارة الخاصة بكل منها وقدرتها على توليد تغيرات كبيرة في درجات الحرارة عند تعرضها لمجال مغناطيسي.

قبل كل شيء، تم اختيار المواد المذكورة أعلاه بسبب معاملاتها المغناطيسية العالية مما يجعلها مرشحة مثالية لتطبيقات التبريد المغناطيسي. وتمتلك كل مادة نطاق درجة حرارة تشغيل مختلف، الأمر الذي يصبح مهمًا للغاية أثناء اختيار المواد لتطبيقات تبريد محددة. لمزيد من المواد المتقدمة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما هو التأثير المغناطيسي المغناطيسي؟

ترتفع درجة حرارة المادة المغناطيسية أو تبرد عند تعرضها لمجال مغناطيسي متغير؛ وهذا هو التأثير المغناطيسي المغناطيسي. يوفر التبريد المغناطيسي، في بحثه عن تقنية تبريد موفرة للطاقة وصديقة للبيئة، المبدأ الذي يقوم عليه هذا المجال.

كيف يختلف التبريد المغناطيسي عن التبريد التقليدي؟

يبرد التبريد المغناطيسي باستخدام المواد المغناطيسية والتأثير المغناطيسي المغناطيسي، بدلاً من الاعتماد على غازات التبريد في التبريد التقليدي. ويضمن ذلك تعزيز كفاءة الطاقة وهو أكثر صداقة للبيئة لأنه لا يتضمن غازات ضارة.

ما أهمية معامل البؤر المغناطيسية؟

المعامل المغناطيسي البؤري هو مقياس للتغير في درجة الحرارة الذي قد تتعرض له المادة مع تطبيق مجال مغناطيسي. كلما زادت قيمة المعامل، كلما كانت المادة أفضل أو أكثر كفاءة في إدخال تحسينات على أنظمة التبريد المغناطيسي.

ما المواد التي لها أعلى معاملات مغناطيسية مغناطيسية؟

من المعروف جيدًا أن مواد مثل الجادولينيوم Gadolinium، Gd؛ والحديد-الروديوم، FeRh؛ وسبائك المنغنيز-الحديد، MnFe، تُظهر معامل مغناطيسي عالي. ويمكن أن تكون هذه المواد مرشحة مثالية لتطبيقات التبريد المغناطيسي.

هل التبريد المغناطيسي ممكن في الأجهزة المنزلية؟

نعم، يمكن تطبيق التبريد المغناطيسي على الأجهزة اليومية مثل الثلاجة أو مكيف الهواء. ويجري حاليًا إجراء الأبحاث، والهدف من ذلك هو بناء أنظمة يمكن وضعها في المنازل، مما قد يوفر بديلًا أكثر مراعاة للبيئة لتقنيات التبريد الحالية.