Demagnetizzazione adiabatica

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La demagnetizzazione adiabatica è una tecnica per ottenere temperature estremamente basse (sotto 1 kelvin) che usa l'effetto magnetocalorico.

Il principio che sta alla base del procedimento fu suggerito da Debye nel 1926 e da Giauque nel 1927 [1] e il primo refrigeratore di questo tipo fu costruito da alcuni gruppi nel 1933. La refrigerazione magnetica fu il primo metodo a consentire temperatura inferiori a 0,3 kelvin (temperatura difficilmente ottenibile con un criostato a diluizione ³He/4He).

Effetto magnetocalorico[modifica | modifica wikitesto]

L'effetto magnetocalorico, e nella pratica la demagnetizzazione adiabatica, è un processo magneto-termodinamico nel quale la variazione reversibile di temperatura di un opportuno materiale è causata dal cambiamento del campo magnetico. In generale quando il campo magnetico diminuisce i domini magnetici del materiale ferromagnetico assumono un'orientazione casuale rispetto al campo magnetico a causa della temperatura. Se il materiale è isolato in modo tale che non possa scambiare energia con l'esterno (processo adiabatico), la temperatura diminuisce poiché i domini magnetici assorbono energia termica per riorientarsi.

Ciclo termodinamico[modifica | modifica wikitesto]

Il ciclo termodinamico funziona come un refrigeratore e può essere descritto dal punto in cui la sostanza è inserita nel campo magnetico (cioè il campo magnetico sta aumentando). Il materiale è in equilibrio termico con l'ambiente.

  • Magnetizzazione adiabatica: la sostanza è posta in un ambiente isolato. L'aumento del campo magnetico esterno (+H) causa l'allineamento dei dipoli magnetici degli atomi, diminuendo così l'entropia e la capacità termica del materiale. Poiché l'energia totale è conservata e l'entropia diminuisce, il risultato è che la sostanza si scalda (T + ΔTad).
  • Trasferimento entalpico isomagnetico: questo calore aggiunto può essere rimosso da un fluido come elio (-Q). Il campo magnetico è mantenuto costante per impedire ai dipoli magnetici di riassorbire il calore. Una volta che il materiale è stato sufficientemente raffreddato viene separato dal refrigeratore.
  • Demagnetizzazione adiabatica: viene ridotto il campo magnetico, mantenendo la sorgente isolata dall'ambiente esterno (trasformazione adiabatica). I dipoli magnetici si orientano casualmente e il materiale si raffredda. L'energia (e l'entropia) è trasferita da entropia termica a magnetica (disordine di dipoli magnetici).
  • Trasferimento entropico isomagnetico: il campo magnetico è mantenuto costante per impedire al materiale di scaldarsi. Il materiale è posto in contatto con l'ambiente (caldo) che viene raffreddato, poiché durante la demagnetizzazione il materiale è raffreddato ad una temperatura inferiore di quella ambientale.

Demagnetizzazione nucleare[modifica | modifica wikitesto]

Una variante della demagnetizzazione adiabatica è la demagnetizzazione adiabatica nucleare (NDR - nuclear demagnetization refrigeration). Il principio è lo stesso, ma in questo caso la potenza refrigerante viene fornita dai momenti magnetici nucleari, e non dal momento magnetico atomico. Poiché questi momenti di dipolo sono molto più piccoli, è più difficile allinearli. Questo consente una maggiore potenza di refrigerazione (che consente una temperatura molto bassa fino a 1 µkelvin), ma allo stesso la necessità di usare campi magnetici più intensi (3 tesla o maggiori).

In questo caso il materiale usato deve essere già inizialmente ad una temperatura molto bassa (10 – 100 mK). Il preraffreddamento è di solito fornito dalla mixing chamber di un refrigeratore a diluizione o da uno stadio di ADR.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Mark W. Zemansky, Temperatures very low and very high, New York, Dover, 1981, p. 50, ISBN 0-486-24072-X.

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