Дослідники з Китаю показали, що застосування напруги до композитного матеріалу за допомогою електричного поля викликає великий і оборотний калорійний ефект. Цей новий спосіб посилення калорійного ефекту без магнітного поля може відкрити нові шляхи твердотільного охолодження та призвести до більш енергоефективних і легших холодильників.
Так оцінює Міжнародний інститут холоду 20% вся електроенергія, яка використовується в усьому світі, витрачається на парокомпресійне охолодження – це технологія, яка використовується у звичайних холодильниках і кондиціонерах. Більше того, холодоагенти, які використовуються в цих системах, є потужними парниковими газами, які роблять значний внесок у глобальне потепління. У результаті вчені намагаються розробити більш екологічні холодильні системи.
Системи охолодження також можуть складатися з повністю твердотільних систем, але вони наразі не можуть конкурувати з паровим стисненням для більшості основних застосувань. Сьогодні більшість комерційних твердотільних систем охолодження використовують ефект Пельтьє, який є термоелектричним процесом, який має високу вартість і низьку ефективність.
Зовнішні поля
Твердотільні системи охолодження, засновані на калорійних матеріалах, забезпечують як високу ефективність охолодження, так і нульові викиди парникових газів і з’являються як перспективні кандидати на заміну технології стиснення пари. У цих системах як холодоагент використовується твердий матеріал, який під дією зовнішнього поля (електричного, магнітного, деформаційного чи тиску) змінює температуру – явище, яке називається калорійним ефектом.
Поки що більшість досліджень твердотільних калорійних систем охолодження зосереджено на магнітних холодоагентах. Однак практичні холодоагенти повинні виявляти значний калорійний ефект при кімнатній температурі, і такі матеріали, як правило, важко знайти. Одним з потенційних матеріалів є Mn3SnC, який демонструє значний калорійний ефект під впливом магнітних полів понад 2 Тл. Але використання такого сильного магнітного поля вимагає використання дорогих і громіздких магнітів, що не практично.
тепер, Пен Ву і його колеги з Шанхайського технічного університету, Шанхайського інституту мікросистем та інформаційних технологій, Університету Китайської академії наук і Пекінського університету Цзяотун усунули потребу в магнітах, поєднавши Mn3Шар SnC з п'єзоелектричним шаром цирконат-титанату свинцю (PZT).
Відмова від магнітів
У серії експериментів, описаних в Acta Materialia, команда спостерігала оборотний калорійний ефект без необхідності використання магнітного поля. Досягнута адіабатична зміна температури була приблизно вдвічі ніж виміряна для Mn3SnC у присутності магнітного поля 3 Тл.
Калорійний ефект спостерігався шляхом застосування до матеріалу електричного поля, яке викликає деформацію в PZT через зворотний п’єзоелектричний ефект. Деформація переноситься з шару PZT на Mn3Шар SnC, що призводить до зміни магнітного впорядкування Mn3SnC. Це спричиняє падіння температури матеріалу до 0.57 К. При знятті електричного поля температура зростає на стільки ж.
Ву розповідає Світ фізики що він отримав цю ідею від мікроелектромеханічних систем (MEMS), які часто використовують п’єзоелектричні матеріали для приведення в дію. За словами Ву, використання напруги, опосередкованої електричним полем, може допомогти усунути потребу у дорогих і великих магнітах, створивши більш ефективну та стійку систему охолодження.
Складне вимірювання
Калорійний ефект вимірюється шляхом оцінки адіабатичної зміни температури або ізотермічної зміни ентропії. І в промисловості, і в дослідженнях зміна температури є кращим методом. Хоча це простий експеримент для чистих сипучих матеріалів, це надзвичайно важко зробити для композитного матеріалу на основі пристрою, який піддається впливу електричного поля.
«Колосальний пружно-калорійний ефект» може призвести до кращих холодильників
Щоб провести вимірювання, Ву та його колеги використовували систему, оснащену термопарою, прикріпленою до Mn3Поверхня SnC в адіабатичному середовищі з точно контрольованим магнітним полем і температурою.
Щоб оцінити точність своєї вимірювальної системи, дослідники провели кілька вимірювань магнітокалоричного ефекту в температурному діапазоні 275–290 K. Вони змогли відстежувати зміни температури до 0.03 K, таким чином перевіривши температурну здатність системи з високою роздільною здатністю.
Ву вважає, що робота команди є проривом у прямому вимірюванні зміни температури, враховуючи складність здійснення адіабатичного вимірювання температури під час подачі напруги на PZT. Він додає: «Цей підхід до вимірювання температури може бути корисним для інших теплових електронних пристроїв». Однак Ву підкреслює, що «система не є повністю адіабатичною; це може призвести до втрати тепла, тому необхідні подальші вдосконалення для будь-яких вимірювань тепла».
Цікаво і незрозуміло
Команда також спостерігала деякі дуже цікаві та несподівані явища під час вимірювання температури. «Незалежно від того, застосовуєте ви позитивне чи негативне електричне поле, температура поверхні Mn3SnC завжди зменшується», — каже Ву. Дослідники також виявили, що при застосуванні магнітного поля до композиту температура поверхні Mn3SnC підвищується, тоді як застосування електричного поля діє навпаки і спричиняє зниження температури. Ву каже, що команда ще не розуміє цих спостережень.
Зараз дослідники прагнуть вивчити фізичні причини, що лежать в основі контрастної поведінки Mn3SnC/PZT в магнітних і електричних полях. Для подальшого вдосконалення системи вимірювання температури також намагаються вирішити проблему втрати тепла.
